Перо птицы и подводный кайт

Ю.Е.Устюгин, Г.П.Устюгина

Очень удобен, для осуществления этого замысла, оказался обычный бедж. Это представительский ярлык, выполненный из упругой пластичной пленки, сложенной в два слоя, между которыми размещается визитная карточка. Фабричное крепление к одежде осуществляется булавкой на бедже, ось крепления которой удалена от геометрического центра беджа на расстояние δ, удовлетворяющее условию U=0,29.

На рис.12 показана лабораторная установка для демонстрации в действии «подводного кайта». Она включает: аквариум, модель кайта-контейнера (рис.13), груз сравнения (рис.14), масса которого, несколько больше массы кайта-контейнера (Рис.15) и подъемное устройство — электрический двигатель, на ротор которого одновременно наматываются две нити. Одна нить осуществляет подъем груза, а вторая нить — кайта с грузом.

Рис.12

Рис.13

Рис.14

Рис.15

На рис.16 представлена фотография того момента, когда, при включенном двигателе, кайт-контейнер уже достиг поверхности воды, а груз сравнения еще находится достаточно глубоко под водой, что убедительно подтверждает явление более быстрого выхода на поверхность кайта, чем более легкого по массе груза, при одной и той же скорости отбора нити. На фотографиях рис.17 и рис.18 показаны начальное положение (рис.17) физической модели кайта — контейнера и момент пересечения им свободной поверхности жидкости аквариума (рис.18).

Рис.16

Рис.17

Рис.18

Фотографии выполнены с экрана телевизора в моменты фиксации кадров фильма. Сам фотоаппарат не позволял зафиксировать кайт-контейнер в движении. Сетка, расположенная за аквариумом, имела размеры ячейки 2,5×2,5см². Черными точками зафиксированы, в разные моменты времени движения, места прохождения точки захвата кайта-контейнера.

Кроме того, была получена качественная картина подъема кайта при его движении под действием тянущей нити от дна к свободной поверхности воды, когда точка захвата кайта нитью изменяла свое положение. В случае «А» (рис.19, треугольники) захват кайта осуществлялся в соответствии с правилом U=0,29.

Рис.19

В случае «Б» (рис.19, квадраты) захват кайта осуществлялся самой крайней точке пересечения средней линии кайта и перпендикулярной к ней передней (фронтальной) линии обреза кайта, т.е. на его носике.

Ось h соответствует вертикальной траектории подъема кайта или просто груза, когда точка захвата — это точка геометрического центра тела. В этом случае отсутствует фактор, вынуждающий груз совершать вместе с вертикальным подъемом и горизонтальное перемещение. Самые верхние точки соответствуют уровню свободной поверхности жидкости над дном. Для удобства регистрации точек траектории на экран, за аквариумом наносилась сетка (рис.19). Кривые «А» и «Б» на рис.19 — это линии тренда (тенденции) по соответствующим точкам «А» и «Б» траекторий. Линии тренда были получены с помощью программы MICROSOFT EXCEl. Соответствующие квадратичные уравнения h=h(х) нанесены на рис.19. Там же приведены коэффициенты корреляции R², значения коэффициентов вычислены самой программой MICROSOFT EXCEl. Экспериментальные точки и проведенные по ним кривые демонстрируют те траектории, по которым перемещается кайт при разных точках его захвата тянущей нитью. Штрих - пунктирная кривая (часть окружности) на рис.19 отсекает на всех трех траекториях пути, пройденные кайтом за одно и тоже время. После этого, можно видеть, что кайту с вертикальной траекторией подъема предстоит пройти 57% пути от пройденного, чтобы достигнуть свободной поверхности жидкости, тогда как кайт, захват которого был осуществлен в соответствии с правилом U=0,29, уже достиг этой поверхности, (рис.19), преимущество очевидно.

Подводный кайт – контейнер для быстрого подъема затопленного груза со дна на поверхность - это лишь один из примеров использования универсального правила U=0,29, обнаруженного при изучении махового полета птиц.

Рис.20

На рис.20 представлены две проекции гипотетического кайта – контейнера:
а – вид сбоку;
б – вид сверху.

При этом:
1 — это условный захват тросом;
2 – несущее крыло кайта;
3 – груз, размещаемый в грузовом отсеке 4;
5 – гидродинамический обтекаемый корпус — оболочка грузового отсека.

Захват 1 расположен таким образом, что выполняется правило U=0,29.

Рис.21

На рис.21 показана гипотетическая ситуация взаимодействия судна с кайтом. Рис.21,а схематически показано начальное положение судна 1 с подъемным устройством, соединяющим его тяговым тросом 3 с кайтом 2. На следующем рисунке, 21,б, показано состояние отбора троса подъемным устройством. При этом на кайт действует тяговое усилие натяжения троса – F и, порожденная этой силой, сила реакции среды — N. Далее, на рис.21,в, показаны силы F и N, а также их результирующая сила R, направленная под углом α к касательной прямой к криволинейной траектории движения кайта. Силу тяжести и силу Архимеда не показываем, считая их приложенными к точке захвата кайта тросом, а потому скомпенсированными частью проекции силы F на вертикальное направление, т.е. то направление, на котором действуют обе силы.

Теперь можно представить ситуацию, при которой возникает необходимость быстрого перемещения затопленного груза, расположенного на дне моря. Таким грузом может быть, к примеру, руда с подводного разрабатываемого месторождения или сам кайт, как исследовательский аппарат, применяемый для исследования морского дна. Тогда, если в качестве тягового троса, взять трос — кабель, и оснастить кайт различным оборудованием от управления направлением движения до исследовательского и телевизионного наблюдения, то подводный аппарат кайт — контейнер может оказаться полезным для решения различных задач. Человек же, управляющий функциями кайта, может находиться в нормальных условиях, вне морской среды. Необходимость в экипаже и средствах его жизнеобеспечения на подводном аппарате снимается, а вместе с этим снимается риск гибели экипажа.

Итак, подводный кайт — контейнер весьма полезен для подводной деятельности человека.

А ведь все начиналось с простого вопроса: почему опахало махового пера птицы асимметрично по отношению к стволу пера?