Как парят птицы, исследования Пола Маккриди

Многие птицы умеют парить (т.е. летать, не взмахивая крыльями), описывая круги в восходящих потоках воздуха. Внимательно наблюдая за такими птицами, можно многое узнать об аэродинамике полета, а также о том, как летают птицы различных видов. Пол Маккриди из компании AeroVironment Incorporated (Монровия, шт. Калифорния) разработал метод, с помощью которого любитель может вычислить коэффициент подъемной силы, характеризующий эффективность полета птицы. Кроме этого, можно вычислить скорость и радиус кружения.

Первые же наблюдения за парящими птицами вдохновили Маккриди на создание летательного аппарата Gossamer Condor, который получил главный приз в соревнованиях Kremer Competition в 1977 г., так как стал первым из аппаратов, движимых мускульной силой, выполнившим восьмерку. (В настоящее время Gossamer Condor выставлен в Музее авиации и космонавтики.) То, что такой полет возможен, следовало из проведенных Маккриди расчетов процесса парения птиц, в особенности из оценки затрачиваемой мощности.

Летательный аппарат Gossamer Condor

Наблюдения и анализ парения птиц Маккриди начал в 1974 г. с того, что следил за плавным кружением грифов-индеек Cathartes aura. Он измерял время прохождения птицей полного круга, а также угол ее крена (т.е. угол между плоскостью крыльев и горизонтальной плоскостью). Держа в вытянутой руке транспортир, Маккриди замерял угол крена дважды: когда птица летела на него и от него. Записывалась средняя величина по этим двум измерениям и время прохождения полного круга.

Маккриди наблюдал также, как парят американские стервятники Coragyps airaius и лучшие из «мастеров» — фрегаты Fregata magnificens. В 1980 г., находясь в Ла-Пасе в Мексике, он вновь занялся наблюдениями за фрегатами. В 1982 г. он делал видеозаписи полетов, пользуясь телекамерой с объективом и при воспроизведении записи измерял угол крена по изображению на телеэкране. Часы, подключенные к воспроизводящему устройству, регистрировали время.

Результаты, полученные в 1980 и 1982 гг., оказались, на удивление, несхожими. В 1980 г. средний угол крена был 23°, а среднее время прохождения полного круга — 9,1 с. По наблюдениям 1982 г., средний угол составил 39°, а среднее время — 9,4 с.

Во втором случае полеты происходили на значительно большей высоте, что снижало точность измерения угла. После внесения Маккриди соответствующей поправки средний угол крена, по данным 1982 г., уменьшился до 36°. Однако так и осталось непонятным, почему при парении на большей высоте птицы накреняются сильнее.

Планирующая птица медленно опускается относительно воздушного потока, в котором она находится. Если этот поток поднимается быстрее, чем опускается птица, то она выигрывает в высоте относительно земной поверхности. Кружащая птица обычно маневрирует так, чтобы оставаться в восходящем потоке. Подъемная сила действует перпендикулярно линии, соединяющей кончики крыльев. Она перпендикулярна также направлению полета. Если птица держится ровно, то подъемная сила направлена точно по вертикали и противодействует силе тяжести. Когда птица накреняется, подъемная сила отклоняется от вертикали на угол крена и приобретает горизонтальную составляющую. Весу птицы противодействует теперь лишь вертикальная компонента подъемной силы. Если она мала, то по отношению к восходящему потоку воздуха птица опускается, если велика — птица поднимается.

Горизонтальная составляющая подъемной силы создает центростремительное ускорение, обусловливающее круговое движение. Его величина зависит от величины подъемной силы и угла крена.

Маккриди вывел формулу, с помощью которой можно вычислить скорость птицы по известным значениям угла крена и периода кружения. Эта формула базируется на трех соотношениях, которые выводятся из следующих соображений:

  1. при парении птицы вертикальная составляющая подъемной силы равна ее весу;
  2. горизонтальная составляющая подъемной силы порождает круговое движение, а потому равна произведению массы птицы на ее центростремительное ускорение, которое вычисляют, возводя скорость в квадрат и деля результат на радиус окружности;
  3. скорость движения по окружности равна длине этой окружности, деленной на время ее прохождения.

Имея эти три соотношения, Маккриди нашел, что скорость птицы пропорциональна времени прохождения окружности, умноженному на тангенс угла крена. Зная скорость, радиус можно вычислить из соотношения между скоростью и длиной окружности.

На основе полевых наблюдений 1980 г. Маккриди рассчитал, что птицы планировали со скоростью 5,9 м/с по окружности среднего радиуса 8,5 м. Птицы, за которыми он наблюдал в 1982 г., планировали со скоростью 10,4 м/с по кругу радиусом 15,3 м.

Другой характеристикой парения птиц является коэффициент подъемной силы, который определяется по нагрузке на крылья, создаваемой подъемной силой. Нагрузка равна подъемной силе, деленной на полную площадь верхней поверхности крыльев. Коэффициент подъемной силы равен отношению нагрузки к скоростному напору, возникающему при движении птицы вперед. А скоростной напор равен произведению половины значения плотности воздуха на квадрат скорости птицы.

При вычислении коэффициента вновь встал вопрос о различии в углах крена в двух сериях наблюдений, проведенных в Мексике. После первых наблюдений в 1976 г. Маккриди предположил, что для всех парящих птиц характерен одинаковый коэффициент подъемной силы. Расчеты, которые он тогда провел для грифов-индеек, американских стервятников и фрегатов, подтвердили это предположение. Наблюдения 1980 и 1982 гг. преподнесли сюрприз: оказалось, что парение птиц одного вида не всегда происходит с одинаковым коэффициентом подъемной силы. При наблюдениях в 1980 г. ветер был ровным и слабым, а при наблюдениях в 1982 г. — порывистым и сильным. Из этого Маккриди заключил, что птицы «приспосабливают» свой коэффициент подъемной силы крыла к метеорологическим условиям.

Точно так же планер при парении в турбулентном термике (восходящем потоке теплого воздуха) летит быстрее, чем в спокойном термике. При более высокой скорости менее вероятен срыв потока в случае резкого возрастания угла атаки, которое может быть вызвано турбулентностью; кроме того, улучшается управляемость аппарата. Наконец, при большей скорости планерист может более круто войти в термик.

Птицы выполняют такие маневры более эффективно, поскольку они имеют больший «опыт» парения и снабжены большим числом рецепторов, а их крылья имеют больше степеней свободы. Видеозапись, сделанная Маккриди в 1982 г., показывает, что в турбулентном потоке птицы постоянно меняют угол крена и форму крыльев, в частности степень их скручивания.

Нагрузка на крыло у дельтапланов имеет тот же порядок величины, что и у некоторых птиц, например у американского стервятника. Поэтому пилот дельтаплана может использовать термики, почти столь же слабые, как и те, в которых летают птицы. Однако птицы имеют еще одно преимущество, касающееся управляемости. К. Пенниквик из Бристольского университета, специалист по биологии пернатых, однажды заметил: «На мой взгляд, если даже удастся скопировать систему управления птиц, то кабину придется начинить рычагами до такой степени, что для управления ими понадобится осьминог». Более того, поскольку у птиц крылья короче (а стало быть, радиус поворота меньше), то для уравнивания подъемных сил, действующих на каждое крыло, им меньше приходится скручивать крылья. У дельтаплана, имеющего больший размах крыльев, осуществлять такую регулировку труднее.

У большого планера нагрузка на крыло гораздо больше, чем у дельтаплана или у птицы, и летает он гораздо быстрее. Кроме того, его парение более эффективно, и он медленнее опускается в потоке воздуха. Тем не менее слабые восходящие потоки планер в отличие от птиц использовать не может.

Поскольку у грифа-индейки нагрузка на крыло существенно меньше, чем у американского стервятника, он может парить в небольших слабых термиках, например рано утром (когда восходящие потоки слабы). Фрегат, имеющий длинные, изящные крылья, парит над океаном лучше, чем все остальные птицы. Он использует даже легкий ветерок, создаваемый слабой конвекцией, которая возникает, когда вода теплее воздуха.

В спокойных условиях коэффициент подъемной силы у фрегатов равен 1,8. Если учесть аэродинамические условия парения птиц, эта величина кажется удивительно большой. Благодаря этому фрегат может планировать с такой малой скоростью, при которой у других птиц или планеров обычно происходит срыв потока. Маккриди полагает, что дальнейшие наблюдения могут уменьшить эту оценку. В противном случае придется сделать вывод, что фрегаты «сконструированы» лучше, чем модели аэропланов тех же размеров, летающие с теми же скоростями, так что специалистам по аэродинамике будет к чему стремиться.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.