Птицы . Наиболее важной морфологической адаптацией к воздушной среде следует считать крыло.

Крыло - это несущая плоскость, которая формируется маховыми перьями. На пальцах и запястьях находятся 11 маховых перьев 1-го порядка, а на предплечье - 12 маховых перьев 2-го порядка. Основу маховых перьев составляет жесткий стержень, к которому симметрично с двух сторон крепятся бородки, составляющие опахало.

Для того чтобы крыло генерировало подъемную силу, птица должна набрать стартовую скорость. Тогда воздушный поток распределяется относительно плоскости крыла таким образом, что под крылом создается повышенное давление воздуха. Над верхней поверхностью крыла воздух движется быстрее, в результате чего возникает относительное разрежение. Возникает подъемная сила, которой птица манипулирует за счет изменения угла атаки, площади крыла, торможения хвостовыми перьями.

Поддерживается скорость движения в воздухе разными способами. Разные птицы развивают в воздухе различную скорость. Она зависит от размера и формы крыла, способности птицы менять форму крыла в процессе полета, от частоты взмахов крыльями, а также от способности птицы использовать энергию воздушных потоков. Принято выделять несколько типов полета: машущий, планирующий (парящий), зависающий полет.

Машущий полет предполагает наличие у птицы коротких и умеренно широких крыльев и хорошо развитых грудных мышц, как, например, у голубя. Масса грудных мышц которых может достигать 30-40% от массы тела. Частота взмахов крыла у голубя составляет примерно 2 взмаха в 1 секунду, у более крупных птиц она реже. В качестве тормоза птицы используют хвост и частично крылья.

В организации полета важную роль играет оперение птицы. Оно придает телу обтекаемость, амортизирует влияние воздушных потоков. При толчке маховые перья смыкаются за счет сцепления крючков и бороздок и формируют относительно жесткую несущую плоскость крыла. При подъеме крыла перья размыкаются, в результате чего сопротивление воздуха резко уменьшается. При посадке птица прекращает махи крыльями, удерживая их под необходимым углом.

В финальной части в качестве тормоза используются рулевые перья хвоста и маховые перья крыла, которые разворачиваются вентральной поверхностью почти перпендикулярно направлению движения.

Планирующий полет . При планирующем полете птицы используют энергию движения воздушных потоков. Птицы имеют большую площадь крыла или за счет длины (фрегат), или за счет длины и ширины (орлы). При планировании птицы крыло принимает максимальную длину и устанавливается в пределах плоскости движения под углом 90° по отношению к продольной оси тела. При планировании птица перемещаются без потери высоты или даже набирают высоту при минимальных затратах энергии. Снижение при парении также возможно без дополнительных затрат энергии за счет нисходящих воздушных потоков.

Такие птицы, как орлы, коршуны, в меньшей мере вороны, при планировании используют энергию восходящих и нисходящих потоков воздуха. Поверхность земли прогревается и остывает неравномерно. Более теплый воздух вытесняется холодным, вследствие чего имеет место вертикальное перемещение воздушных масс. Кроме того, происходят перемещения воздуха и в горизонтальной плоскости. В горной местности горизонтально перемещающиеся воздушные потоки ударяются в преграду (склон горы) и поднимаются вверх.

У морских птиц (альбатросы, фрегаты) полет несколько отличается от планирующего полета птиц, обитающих на суше.

Они имеют длинные и узкие крылья (у фрегата и альбатроса до 4 м) при довольно крупном теле. Птицы пользуются порывами ветра, которые возникают над волнами. Используя встречные потоки воздуха, птицы набирают высоту. Затем они разворачиваются на 180° и на большой скорости планируют по ветру на отогнутых назад крыльях, теряя при этом высоту. Далее следует разворот по широкой дуге с вынесенными вперед крыльями навстречу воздушному потоку. Подобные маневры доступны и сухопутным птицам. Но и альбатрос периодически парит над волнами за счет восходящих от поверхности воды потоков воздуха так же, как это делают сухопутные птицы.

Зависающий полет . Данный тип движений в воздухе представляется наиболее энергоемким. Чтобы оставаться на месте и не потерять высоту, птицы одновременно должны создавать большую подъемную силу и торможением гасить линейное продвижение. В зависающем полете птицы производят махи крылом с большой частотой (порядка 50 взмахов в секунду). У таких птиц (пустельга, колибри) мышцы, приводящие в движение крыло, имеют очень большую массу. Только грудные мышцы могут иметь массу, составляющую 1/3 от всей массы тела. Тяга создается работой легкого и очень подвижного крыла, в составе которого преобладают длинные и относительно жесткие маховые перья 1-го порядка. Маховых перьев 2-го порядка у птиц, пользующихся зависающим полетом, не 12, а всего 6.

Млекопитающие . Локомоции в воздушной среде у млекопитающих - явление редкое. Наиболее приспособлены к полету летучие мыши. Эти животные неуверенно двигаются на земле (точнее, по вертикальным поверхностям деревьев, пещер), но виртуозно перемещаются в воздушном пространстве. Отдельные виды (например, длиннокрыл) развивают в полете на коротких дистанциях скорость до 35-40 км/час.

Летучие мыши, или рукокрылые (Chiroptera), имеют летательную перепонку большой площади. Она представляет собой складку кожи между передними конечностями, туловищем и задними конечностями, а также между пальцами передних конечностей, туловищем и хвостом. Приводят в движение летательную перепонку гипертрофированная грудная мускулатура и передние конечности. Среди летучих мышей в зависимости от строения летательных перепонок выделяют острокрылых, длиннокрылых, ширококрылых и тупокрылых летучих мышей. Биомеханика движений летучих мышей в воздушной среде принципиально не отличается от таковой птиц.

У рукокрылых можно наблюдать те же три типа полета, что и у птиц: машущий, зависающий (порхающий) и планирующий.

Кроме летучих мышей, локомоции в воздушной среде доступны белкам-летягам, обезьянам и некоторым другим мелким животным, ведущим древесный образ жизни. Среди белок, использующих воздушную среду для линейных перемещений, наиболее известны северная летяга и гигантская летяга. Последняя, несмотря на немалые размеры (длина тела 40-50 см, длина хвоста - до 60 см), хоть и не способна летать по-настоящему, тем не менее за счет планирования покрывает расстояния до 500 м. При этом белка перемещается с одного высокого дерева на другое. За счет таких локомоций грызун избегает опасных соседей на земле и меняет кормовые угодья, не спускаясь на землю. От пяток до запястий у летяг вдоль тела тянутся широкие перепонки, которые при прыжке создают несущую плоскость с довольно большой поверхностью.

Северная летяга мельче. Длина ее тела не превышает 25 см, хвоста - 18 см. Однако и эта белка легко перелетает с дерева на дерево с невысокой скоростью порядка 100 м/мин. Несмотря на то что такой полет имеет пассивный характер, тем не менее, он позволяет белкам решать жизненные задачи: уходить от хищников, находить половых партнеров и осваивать новые пищевые ресурсы.

Рыбы . Полет рыб - явление еще более редкое, чем полет млекопитающих. Однако его эффективность может быть сопоставима с полетом птиц.

Рыбы используют грудные плавники для планирования в воздухе. Так, летучие рыбы при испуге за счет броскового движения туловищных мышц, мышц хвостового стебля и интенсивной работы нижней лопастью хвостового плавника выскакивают из воды и пролетают в воздухе расстояния, позволяющие им избавиться от преследователей.

На поверхности воды летучая рыба достаточно продолжительно работает хвостом, развивая большую тягу, позволяющую ей преодолеть силу притяжения. Скорость полета этих мелких рыб превышает скорость движения преследователей (тунцы, меч-рыба), а пролетаемые ими расстояния достигают нескольких сот метров.

Другие виды рыб, например, пальцекрылы, могут не только парить, но и выполнять сложные маневры в воздухе. Пальцекрыл поднимается к поверхности воды и скользит по ней со скоростью 18 м/с. Такую высокую скорость рыба приобретает благодаря зигзагообразным движениям хвостового плавника с гипертрофированной нижней лопастью.

Скорость полета пальцекрыла сопоставима со скоростью движения современных морских судов и нередко составляет 60-70 км/час. Сильный удар хвоста поднимает рыбку в воздух на высоту 5-7 м. Пальцекрыл пролетает в воздухе до 200 м, используя при этом и воздушные потоки. Рыба способна при необходимости изменить направление полета за счет движений хвостового плавника. У нее также отмечены колебательные движения грудных плавников.

Урок на тему
«Причина и значение теплокровности птиц»

При изучении темы «Класс Птицы» ребята впервые знакомятся с таким важным понятием, как теплокровность . Очень важно, чтобы ученики поняли, что поддержание постоянной температуры тела обеспечивается взаимодействием целого ряда физиологических систем организма. Хорошее знание этого материала необходимо для объяснения сложных эволюционных и экологических проблем.

Учитель.

– Ребята, почему зимой в лесу птиц меньше, чем летом?
(Предполагаемые ответы: мало корма или его совсем нет (для насекомоядных птиц ), много снега, холодно. )
– А может перьевой покров защитить птиц зимой от мороза? (Может, но только частично .)
Основные вопросы, на которые мы должны ответить в ходе сегодняшнего урока: что согревает тело птицы? Как они поддерживают постоянную температуру? Откуда берут энергию для полета?
– Как вообще образуется тепло? (Предполагаемые ответы: при сгорании органических веществ, которое происходит в присутствии кислорода. )
– А за счет чего едет автомобиль? За счет чего двигаются организмы? (За счет энергии, также образующейся при сгорании (окислении ) органических веществ при участии кислорода. )
Сколько энергии требуется птицам? Ведь они могут пролетать большие расстояния, развивать высокую скорость. (Работа с таблицами.)

Таблица 1. Расстояния, преодолеваемые при перелетах

Таблица 2. Площадь поверхности крыльев и нагрузка на них

Для сравнения – модель планера имеет нагрузку на крылья 2,5 кг/м 2 .

Таблица 3. Частота взмахов крыльями

Таблица 4. Максимальная скорость полета

Чем меньше птица, тем больше пищи на каждый грамм массы тела ей требуется. С уменьшением размера животного его масса убывает быстрее, чем площадь поверхности тела, через которую происходит потеря тепла. Поэтому мелкие животные теряют больше тепла, чем крупные. Мелкие птицы за день съедают количество корма, равняющееся 20–30% их собственной массы, крупные – 2–5%. Синица может за день съесть столько же насекомых, сколько весит сама, а крохотный колибри – выпить количество нектара, в 4–6 раз превышающее собственную массу.

Повторяя этапы расщепления пищи и особенности дыхательной системы птиц, заполняем поэтапно схему № 1.

Ход работы при заполнении схемы

Интенсивная двигательная активность птиц требует больших затрат энергии. В связи с этим их пищеварительная система имеет ряд особенностей, направленных на эффективную переработку пищи. Органом захватывания и удерживания пищи служит клюв. Пищевод длинный, у большинства птиц он имеет карманообразное расширение – зоб, где пища размягчается под влиянием жидкости зоба. Железистый желудок имеет в своей стенке железы, выделяющие желудочный сок.
Мускулистый желудок снабжен сильной мускулатурой и выстлан изнутри прочной кутикулой. В нем происходит механическое перетирание пищи. Пищеварительные железы (печень, поджелудочная железа) активно выделяют пищеварительные ферменты в полость кишечника. Расщепленные питательные вещества всасываются в кровь и разносятся ко всем клеткам тела птицы.
Как долго переваривается пища у птиц? Мелкие совы (домовые сычи) переваривают мышь за 4 ч, серый сорокопут – за 3 ч. Сочные ягоды у воробьиных проходят через кишечник за 8–10 мин. Насекомоядные птицы наполняют свой желудок 5–6 раз в сутки, зерноядные – трижды.
Однако само по себе поглощение пищи и поступление в кровь питательных веществ – это еще не выделение энергии. Питательные вещества нужно «сжечь» в клетках тканей. Какая система принимает в этом участие? (Легкие, воздушные мешки. )
– Мышцы должны хорошо снабжаться кислородом. Однако птицы не могут обеспечить доставку нужного количества кислорода за счет большого количества крови. Почему? (Увеличение количества крови увеличивало бы массу птицы и затрудняло бы полет. )
Интенсивное поступление кислорода к клеткам тканей у птиц происходит за счет «двойного дыхания»: богатый кислородом воздух проходит через легкие и при вдохе, и при выдохе, причем в одном и том же направлении. Это обеспечивается системой воздушных мешков, пронизывающих тело птицы.
Для того чтобы кровь двигалась быстрее, необходимо повышенное артериальное давление. Действительно, птицы – гипертоники. Для того чтобы создать высокое артериальное давление, сердце птиц должно сокращаться с большой силой и высокой частотой (табл. 5).

Таблица 5. Масса сердца и частота сердечных сокращений

В результате окисления (сгорания) питательных веществ образуется энергия. На что она тратится? (Завершаем заполнение схемы № 1).

Вывод. Активный окислительный процесс способствует поддержанию постоянной температуры тела.
Высокая температура тела обеспечивает высокий уровень обмена веществ, быстрое сокращение сердечной мышцы и скелетных мышц, что необходимо для полета. Высокая температура тела позволяет птицам сократить период развития зародыша в насиживаемом яйце. Ведь насиживание – важный и опасный период в жизни птиц.
Но постоянная температура тела имеет свои недостатки. Какие? Заполняем схему № 2.

Итак, поддержание постоянно высокой температуры тела выгодно для организма. Но для этого необходимо потреблять много пищи, которую надо где-то раздобыть. Птицам пришлось развивать различные приспособления и черты поведения, позволяющие добывать достаточное количество пропитания. Вот несколько примеров.
Далее учащиеся делают сообщения на тему «Как разные птицы добывают себе корм» (их подготовка могла быть домашним заданием к данному уроку).

Пеликаны-рыболовы

Пеликаны иногда ловят рыбу сообща. Найдут мелководный залив, оцепят его полукругом и принимаются хлопать по воде крыльями и клювами, постепенно сужая дугу и приближаясь к берегу. И только согнав рыб к берегу, начинают лов.

Совиная охота

Как известно, совы охотятся ночью. Глаза у этих птиц огромные, с сильно расширяющимся зрачком. Через такой зрачок и при скудном освещении попадает достаточно света. Однако увидеть добычу – различных мелких грызунов, мышей и полевок – издалека в темноте невозможно. Поэтому сова летает низко над землей и смотрит не по сторонам, а прямо вниз. Но если летать низко, шелест крыльев распугает добычу! Поэтому сова имеет мягкое и рыхлое оперение, которое делает ее полет совершенно бесшумным. Однако основным средством ориентации у ночных сов служит не зрение, а слух. С его помощью сова по писку и шороху узнает о присутствии грызунов и точно определяет место нахождения добычи.

Вооружившись камнем

В Африке, в заповеднике Серенгети, биологи наблюдали, как добывали себе пищу стервятники. На этот раз пищей были яйца страуса. Чтобы добраться до лакомства, птица брала клювом камень и с силой бросала его на яйцо. Крепкая скорлупа, выдерживающая удары клюва даже таких больших птиц, как грифы, от камня трескалась, и яйцом можно было полакомиться.
Правда, тут же стервятника оттесняли от пиршества грифы, а тот принимался за новое яйцо. Это интереснейшее поведение потом неоднократно отмечали в эксперименте. Стервятникам подбрасывали яйца и ожидали, что произойдет. Заметив лакомство, птица тут же подбирала подходящий камень, иногда весом до 300 г. Стервятник тащил его в своем клюве за десятки метров и бросал на яйцо до тех пор, пока оно не трескалось.
Однажды стервятнику положили поддельные куриные яйца. Он взял одно из них и начал бросать его о землю. Затем отнес яйцо к большой скале и швырнул об нее! Когда и это не принесло желаемого результата, стервятник принялся отчаянно колотить одно яйцо о другое.
Многочисленные наблюдения показали, что птицы старались расколоть камнями любой предмет яйцевидной формы, даже если он был огромного размера или окрашен в необычные цвета – зеленый или красный. А вот на белый куб они совершенно не обращали внимания. Ученые выяснили, кроме того, что молодые стервятники не умеют разбивать яйца и учатся этому у старших птиц.

Скопа-рыболов

Птица скопа – прекрасный рыболов. Увидев рыбу, она стремительно бросается в воду и вонзает в тело жертвы свои длинные острые когти. И как ни пытается рыба вырваться из когтей хищницы, это ей почти никогда не удается. Некоторые наблюдатели отмечают, что пойманную рыбу птица держит головой по направлению полета. Может быть, это случайность, но вероятнее, что скопа старается так ловить рыбу, чтобы потом ее легче было нести. Ведь в таком случае сопротивление воздуха бывает меньше.

Вывод по сообщениям учащихся – прогрессивное развитие головного мозга и ведущих органов чувств (зрения, слуха) связано с интенсивным обменом веществ, высокой подвижностью и сложными взаимоотношениями с условиями среды обитания.
А теперь объясните, почему птицы получили распространение во всех климатических зонах. С чем связаны перелеты птиц? (Теплокровность позволяет птицам не бояться морозов, оставаться активными даже при очень низких температурах окружающей среды. Однако недостаток корма в зимнее время вынуждает их мигрировать в более кормные места. )

Крупные птицы, умеющие хорошо планировать, используют для полёта взмахи крыльями в тёплую погоду лишь изредка, используя восходящие потоки нагретого воздуха для поддержания стабильного парящего полёта. Эти взмахи, плюс используемые для разбега при взлёте хорошо развитые для бега ноги птицы, позволяют ей получить необходимую скорость для того, чтобы в действие вступила подъемная сила крыльев. Мелкие птицы и насекомые работают крыльями почти всё время полёта, причем при относительно постоянной частоте взмахов. Их крылья работают как пропеллер с мгновенно изменяемым шагом на противоположный в крайних точках взмахов, при взлёте по особой траектории и при больших углах атаки, скорее вперед-назад, чем вверх-вниз, что необходимо для создания тяги вперёд и вверх, взлетая обычно против ветра. И перелетают они обычно на небольшие расстояния...

В сочетании с гибкостью крыльев и достаточной частотой взмахов при работе машущих крыльев создаётся вихревая, турбулентная волна определённой структуры. Вихри для такой волны в процессе горизонтального машущего полёта создаются колеблющимися крыльями в противоположных фазах взмахов и образующаяся волна от этих вихрей способствует их полёту. В процессе постоянных колебаний создаваемая крыльями волна вихрей в своей противофазе улавливается крыльями, подталкивая их как воздушными пружинками и на основе этого аэродинамического резонанса происходит после взлёта дальнейший полёт этих летающих существ.

При резонансе такого аэродинамического колебательного контура, который состоит из энергии мышц колеблющих крылья (энергия накачки); из колеблющихся крыльев, которые создают своего рода пружинки в виде вихревых волн возбуждённых крыльями; из вихрей, которые слетают с крыла и в противофазе аэродинамического резонанса дополнительно подталкивают крылья и создаётся достаточная для полета насекомого или птицы необходимая для полёта подъемная сила. Без такого колебательного контура, настроенного в аэродинамический резонанс, экономичный машущий полёт будет невозможен!

Именно это ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ подталкивание образующейся волной возбуждённой окружающей среды колебательной системой вместе с аэродинамической формой самого колебательного контура и есть суть экономичной работы такой аэродинамической колебательной системы! Важно только создать такую волну и суметь настроить колебательный контур в резонанс с вынуждающей силой и возбуждённой волной среды при минимальном расходе энергии, не допуская разноса самой колебательной системы для её добротной и стабильной работы.

Эволюционируя на протяжении сотен миллионов лет, насекомые обрели довольно совершенный и в то же время относительно простой аппарат для полёта в воздушной среде. Регулируя создаваемые крыльями потоки воздуха насекомое, как и вертолёт, меняет направление полёта, создавая необходимую тягу для горизонтального полёта, на который уже тратится несколько меньше энергии в соответствии с законами классической аэродинамики, ибо в связи с лёгкостью и малыми размерами в какой-то мере используется подъёмная сила их хорошо обтекаемого воздухом корпуса.

Летающие жуки используют для горизонтального полёта ещё и надкрылья, когда они работают как крылья самолёта, а сами машущие крылья насекомого как винты, а контролируя направление всех аэродинамических сил насекомое маневрирует в воздухе, а все щетинки и неровности на поверхности крыльев и надкрыльев работают для образования необходимых турбулентностей для бессрывного обтекания воздуха, обеспечивая устойчивый и экономичный полёт. У некоторых жуков надкрылья тоже немного машут, создавая дополнительную подъёмную силу.

Этих тонкостей долго не знали многие дипломированные специалисты в области полёта и до конца не понимают до сих пор. А ведь для настройки такого аэродинамического резонансного колебательного контура природе потребовалось десятки миллионов лет, а сегодня для создания надёжного летательного аппарата с машущими крыльями для полёта человека необходимо провести множество экспериментов, построить таблицы измерений и вывести определённый научный алгоритм для применения научных изысканий на практике. Хотя еще до Второй мировой войны немецкие авиаконструкторы с успехом запускали небольшие легкие орнитоптёры, использующие для привода скрученный резиновый жгут.

Увлекался этим и знаменитый аэродинамик Александр Липпиш, а в 1930 году Эрик фон Хольст сумел построить орнитоптер, на который установил двигатель внутреннего сгорания и он летал на длинном корде, пока не кончалось горючее. На корде летал и махолёт Киселёва построенный в Московском Авиационном Институте. Но создать надёжный летательный аппарат с машущими крыльями для полёта человека, пока так никому и не удалось…

Люди часто представляют махолёт как аппарат способный взлетать почти вертикально и даже зависать в воздухе как вертолёт. Это заблуждение. Махолёт это летательный аппарат способный при помощи машущих крыльев относительно долго лететь без снижения. А как он взлетит - при помощи буксира, от привода на колёса, при помощи реактивного двигателя или просто с возвышения при помощи ног пилота, как делал это Лиленталь на своих крыльях, то это не имеет никакого значения. Важно то, что на таком аппарате можно летать как птица!

Понятно, что орлу без помощи ног в штиль не взлететь, а альбатрос, если находится не на возвышении, может пробежать в штиль десятки метров, прежде чем поднимется на крыло! Ласточки и стрижи по этой причине вообще на землю не садятся, а они хорошие летуны!

Иногда спрашивают, с какой скоростью надо махать крыльями.

Скорость это путь на время. О какой скорости речь в колебательном процессе?

Хотя можно сказать, что при скорости планирования.

Частота колебаний зависит от частоты собственных колебаний всей системы крыло-воздух и при резонансе механической колебательной системы как таковой частота взмахов может меняться очень незначительно. Это будет зависеть от скорости обтекающего крыло потока воздуха, а также от упругости и гибкости крыла и при изменении других параметров всей колебательной системы. Именно поэтому такой резонанс и называется параметрическим, что при изменении одних параметров меняются другие параметры всей колебательной системы. Можно менять и амплитуду колебаний крыла для увеличения скорости крыла в набегающем потоке воздуха для увеличения его подъёмной силы, насколько позволяет сам механизм, материал крыла и условия полёта.

А поскольку всякая колебательная система имеет свою добротность на затухание и работает в зависимости от частоты и мощности вынуждающей силы, от упругости и жёсткости материала крыла, от мощности вынуждающей силы для возникновения резонансных колебаний, то могут меняться и параметры всей колебательной системы. Все эти параметры тоже, кстати, можно менять, то есть если в колебательной системе меняются некоторые параметры, то резонанс такой колебательной системы называется параметрическим.

Теперь о необходимых усилиях на взмахи для машущего полёта. Иногда достаточно посмотреть на каких углах атаки петух взлетает на забор, поэтому кратковременно даже петухи способны с места взлетать на высокий забор, но чтобы они хорошо летали я не видел, а значит для горизонтального полёта ему сил не хватит, а вот бегает при помощи крыльев он быстрее, чем без них. Ведь он именно ВЗЛЕТАЕТ на забор и именно благодаря взмахам крыльев! И когда бежит он помогает себе крыльями и бежать быстрее, и маневрировать лучше. А вот тетерев или глухарь может улететь довольно далеко после почти вертикального взлёта и крыло у них при взлёте никогда не "стоит параллельно земле"!

При планировании самолета или птицы, а также при «холостом», самом экономичном горизонтальном машущем полёте на скорости планирования при хорошей аэродинамике всей системы крыла, его лобовое сопротивление превращается в необходимую подъёмную силу для такого полёта, именно по этой причине при изменении некоторых параметров в машущем режиме скорость полёта может быть даже ниже, чем при планировании. Это зависит от возможности в этом режиме удерживать воздух на несущий поверхности крыльев без срыва потока.
Понятно, что зависнуть как стрекоза на одном месте такой махолёт не сможет, а вот для экономичного горизонтального полёта вполне подойдёт.

Если путь на время это скорость, то крыло двигаясь по синусоиде в процессе взмахов проходит больший путь за то же время, чем корпус птицы. А поскольку крыло за то же время проходит больший путь, значит больше стала скорость крыла в обтекающем его потоке воздуха и, соответственно, увеличилась его подъёмная сила!

Чтобы понять, как ведёт себя крыло в «холостом», самом экономичном режиме полёта спокойно летящей птицы достаточно взять фанерный лист, примерно, 100 х 50 см. за узкую кромку в вытянутую руку против ветра, как будто это ваше крыло, и попеременно меняя угол атаки попробуйте удержать его горизонтально земле.

При хорошем ветре руку в горизонтальном положении удержать едва ли удастся, но получатся, практически, колебательные, машущие движения! Вот вам и частный случай параметрического резонанса! А если вы закрепите пятиметровую относительно тонкую, но прочную доску в задних окнах автомобиля и на разных скоростях высовываясь из окна скобой попробуете в метре от окна изгибать её поперечно, меняя угол атаки в такт с собственными колебаниями, что вы получите? Те же машущие движения, только уже более упругой колебательной системы. Если один конец доски в окне закреплён жёстко, а в другом окне доска закреплена в пружинном подвесе с динамометрическими устройствами, то даже на доске без специального профиля можно увидеть резкое снижение веса доски при разных режимах её колебания. Догадываетесь, как будет работать такая доска с аэродинамическим профилем крыла? Кстати, при определённой скорости могут появится критические режимы и доска сломается...

Птицы делают это в набегающем потоке при скорости планирования, но летят БЕЗ СНИЖЕНИЯ, так как в этом случае крыло в каждый момент взмаха сохраняет свою подъёмную силу, имея для этого необходимый угол атаки и достаточную скорость в этом набегающем потоке воздуха, ибо по синусоиде крыло проходит больший путь, чем корпус птицы!

Когда чайка в ПЛАНИРУЮЩЕМ ПОЛЁТЕ начинает менять угол атаки крыльев, то получает на крыльях необходимые колебания для устойчивого горизонтального полёта!

Это происходит от того, что её крылья по синусоиде проходят больший путь, чем её корпус, который движется по прямой, а путь на время это скорость, значит скорость у крыла стала больше от этого и подъёмная сила на крыльях увеличилась в сравнении с полётом без взмахов и птица летит без снижения почти не затрачивая свою энергию на полёт в силу высокого качества крыла и почти полного отсутствия лобового сопротивления! Но скорость как в планирующем полёте, так и в машущем - ОДИНАКОВАЯ! И тоже без лобового сопротивления!

А вот когда птице необходимо лететь быстрее, то она в какой-то мере может менять и частоту, и усилия на взмахи, и амплитуду взмахов, создавая на крыльях пропеллирующий эффект за счёт упругости перьев и от поперечной упругости строения крыла!

Кстати, в этом случае появляется и лобовое сопротивление, и сопротивление воздушной среды, что требует уже немалых усилий, а значит и значительных затрат энергии. Это, примерно, то же самое, как идти спокойным шагом, а потом быстро бежать. Кстати, ноги человека при ходьбе и беге тоже работают как колебательная система и тоже в режиме параметрического резонанса, если кто-то до сих пор этого не знал...

А мышцы, как при полёте птиц и насекомых, так и при ходьбе человека только раскачивают маятник и ДАЮТ энергию накачки для приведения колебательной системы в движение для выполнения необходимой работы!

В кресле махолёта в руках у пилота рукоятки для ГОШИРОВАНИЯ крыла и меняя угол атаки в резонанс колебания крыльев, да ещё раскачивая крылья ногами можно получить достаточную подъёмную силу и тягу для горизонтального полёта!

Кстати, у альбатроса для снижения энергии затрачиваемой на удержание крыльев в расправленном состоянии в плечевом суставе есть специальная косточка, которая при расправленных крыльях входит в паз кости плеча, что делает крыло более жёстким и упругим. Это позволяет ему тратить меньше сил на удержание крыльев в расправленном состоянии, расходуя их только на управление для поддержания полёта и маневрирования.

А на крыльях стрекозы есть хитиновое уплотнение, которое называется птеростигмой, если это уплотнение аккуратно срезать, то частота колебания крыльев увеличивается и крыло начинает разрушаться, ибо собственная частота колебания крыла и частота работы мышц управляющих крыльями уже не совпадает и этот дисбаланс приводит к разрушению всей сбалансированной системы необходимой для её полноценного, стабильного и безопасного полёта.

По-моему всё элементарно просто и понятно...

Если вам здесь что-то понравилось, и у вас есть желание и средства разместить это для дальнейшего распространения, то вам ничто не мешает и вам для этого достаточно только нажать внизу кнопку \Разместить анонс\, если вы зарегистрированы на сайте...
Огромная благодарность всем, кто размещал анонсы моих статей и переводил мне свои баллы для анонсирования статей по интересной для вас теме!

БОЛЬШОЕ СПАСИБО!!!

Благодарю за прочтение и неравнодушие!!!

В данной книге школьник и юный натуралист найдут материал для внеклассного чтения, а также дополнительный и справочный материал к учебнику зоологии.

Отдельные очерки не связаны между собой, поэтому не обязательно читать всю книгу подряд.

Книга знакомит читателя с разнообразием животного мира СССР и зарубежных стран. Попутно приводятся сведения о значении животных в природе, хозяйственной деятельности человека.

Часть материала изложена в форме вопросов и ответов. Раздел «Рассказы о насекомых» написан кандидатом биологических наук Ю. М. Залесским.

В третьем издании текст местами изменён и дополнен; внесены необходимые исправления, добавлено несколько новых рисунков. Глава «Зоология в вопросах и ответах» дополнена новыми вопросами; порядок их распределения изменён в соответствии с зоологической системой.

Я. Цингер

Книга:

Как летают насекомые

Большинство населяющих Землю насекомых имеет крылья. Правда, крыльями обладают только насекомые на взрослых стадиях развития. Как известно, ни личинки, ни нимфы, ни куколки не летают. У одних насекомых, как например у стрекоз, бабочек, перепончатокрылых, жуков - четыре крыла, у других: мух, комаров, некоторых подёнок - два крыла. Каждое насекомое имеет свои особенности полёта, каждое летает по-своему, но у многих из них есть общее в полёте. Прежде всего в основе их полёта лежит взмах крыльями - полёт машущий.

Наиболее простым взмахом крыльев обладают подёнки - они взмахивают каждым крылом сверху вниз и лишь немного ставят его под углом к набегающему навстречу потоку воздуха. Наиболее сложным взмахом крыльев обладают двукрылые (комары и мухи), а также перепончатокрылые (пчёлы , осы, крылатые особи муравьёв). Крылья их взмахивают так, что конец каждого крыла, если насекомое неподвижно, описывает в воздухе восьмёркообразную кривую. Взмахивая вниз, крыло в начале взмаха расположено почти горизонтально. Опускаясь вниз, оно одновременно заносится вперёд, а внизу переворачивается так, что, поднимаясь вверх, уже своим передним краем идёт вверх и назад. Такие взмахи повторяются с большой частотой. Каждое крыло работает, как пропеллер.

Стрелки указывают направление движения: А - опускание крыла (V положение изображено пунктиром); Б - поднимание крыла (положение I изображено пунктиром).

Внизу - те же положения крыла на синусоиде. Точка - передний край крыла, черта - пластинка крыла.

Такую восьмёрку можно наблюдать только у неподвижно закреплённого насекомого, когда оно взмахивает крыльями. При полёте же, когда насекомое движется вперёд, эта восьмёрка растягивается и конец крыла описывает волнообразную кривую (синусоиду).

У перепончатокрылых - четыре крыла, но переднее и заднее крылья каждой стороны тела соединены в полёте особой зацепкой из крючков, так что правая и левая пары крыльев действуют вместе как одно крыло.

Управление в полёте у насекомых достигается почти исключительно крыльями. Изменение направления плоскости взмахов крыльями сказывается на изменении направления полёта. Этим достигается изменение полёта на поступательное движение вперёд, назад, полёт на одном месте или висение в воздухе («стоячий» полёт), подъём вверх, повороты вправо и влево. Мухи - одни из самых поворотливых в полёте насекомых. Они часто делают резкие прыжки вбок. Достигается это внезапным выключением крыльев одной стороны тела - движение их на мгновение приостанавливается, тогда как крылья другой стороны тела продолжают колебаться, чем и вызывается прыжок в сторону от первоначального направления полёта.

Пчёлы в полёте." class="img-responsive img-thumbnail">
Пчёлы в полёте.

Такие насекомые, как подёнки, могут также изменять направление полёта и слегка рулить, меняя положение брюшка и расположенных на его конце хвостовых нитей.

Насекомые, летая, очень часто машут крыльями, так часто, что отдельные взмахи крыльев человеческим глазом рассмотреть не удаётся. Мы часто можем слышать, как жужжат в полёте пчела или жук. Что значит это жужжание?

Звук - это колебания воздуха, которые мы улавливаем ухом. Чем чаще колебания воздуха, тем выше по тону звук. Навозный жук делает до 87 взмахов крыльями в секунду, звук, возникающий при этом, - жужжание сравнительно низкого тона. Комар, летая, производит крыльями до 594 взмахов в секунду, поэтому звук, возникающий в результате его полёта, такой высокий и напоминает писк.

Частоту взмахов крыльями можно определить по высоте производимого ими звука. Надо только учесть, что наиболее высокая нота соответствует удвоенному числу колебаний в секунду, так как каждый взмах крыла даёт две волны колебаний воздуха.

Так, например, у медоносной пчелы высокая нота соответствует 440 двойным колебаниям в секунду, т. е. 220 взмахам в секунду. И действительно, как показывают наблюдения, пчела производит в среднем около 260 взмахов в секунду.

Разные насекомые, летая, машут крыльями с различной частотой, причём у двукрылых и бабочек число взмахов увеличивается при повышении температуры воздуха, а у перепончатокрылых и жуков частота взмахов крыльев не зависит от температуры. Реже всего машут крыльями дневные бабочки. Махаон делает 5 взмахов в секунду, брюквенница - 6, а траурница - 10 взмахов в секунду. На расстоянии полуметра полёт бабочек кажется совсем беззвучным, однако если дневная бабочка пролетит у самого уха, то можно услышать звук очень низкого тона, производимый её крыльями. Ночные бабочки обычно машут крыльями чаще. Совки (рода агротис) делают 37–48 взмахов в секунду, а глазчатый бражник - 37–41 взмах.

Бражники, особенно небольшие языканы, производят низкое гуденье, слегка напоминающее жужжание шмеля.

Вверху - заметная волна, пробегающая по крыльям (по киносъёмке). Внизу - «стоячий» полёт бражника, сосущего нектар.

Шмель делает от 123 до 233 взмахов в секунду, а обыкновенная оса - 165–247. Комнатная муха делает 147–220 взмахов в секунду. Однако чаще всех машут крыльями комары-дергуны, которые иногда роями толкутся в воздухе. Их личинками часто кормят аквариумных рыб - это так называемый мотыль, ярко-красные подвижные червячки. Их рыболовы насаживают на рыболовный крючок, используя как наживку для ужения рыбы.

Дергун мохнатоусый делает от 196 до 494 взмахов в секунду, а другие представители этого большого семейства дергунов производят даже до тысячи взмахов в секунду.

Сколько энергии нужно затрачивать насекомым на полёт при взмахивании крыльями с такой частотой! Как часто сокращаются их мышцы! Однако опыты показали, что пчела, летая за взятком на расстояние 3 километра, расходует всего 0,00035 грамма сахара. Зобик пчелы содержит обычно 0,02 грамма нектара. При концентрации сахара в нём в 20 процентов это количество равно 0,004 грамма чистого сахара. Следовательно, даже при расстоянии в 3 километра полёт пчелы вполне рентабелен, так как расход сгорающего питания в виде сахара не превышает 9 процентов груза.

Если мы возьмём пчёл или шмелей и посадим их в инсектарий или большую стеклянную банку, затянутую сверху марлей, то часа через 2–2,5 они погибнут от голода, так как, летая, израсходуют все свои силы и весь запас питания. Если же мы посадим их в тесную коробку с дырочками, где они не смогут летать, насекомые проживут гораздо дольше и сохранят способность к полёту.

Если же при первом опыте мы будем их подкармливать, то они долгое время не погибнут. Полёт требует от насекомого большого расхода энергии.

Есть киноаппарат («лупа времени»), при помощи которого можно делать моментальные снимки с очень большой скоростью. Если снять летающих насекомых со скоростью 2000 или 3500 кадров в секунду, а затем просматривать на экране снятый фильм со скоростью 16 кадров в секунду, т. е. соответственно в 125 и 219 раз медленнее, то можно увидеть все движения крыльев насекомых и рассмотреть, как они летают.

Оказывается, полёт бабочек, особенно дневных, сильно отличается от полёта других насекомых. Правая и левая пары их крыльев при взмахах приближаются друг к другу над туловищем и под ним. Над спиной крылья даже часто полностью встречаются и иногда ударяются друг о друга, издавая звук. Крылья правой и левой стороны взмахивают одновременно, так как переднее и заднее соединены друг с другом и обычно для этой цели обладают специальной зацепкой. При сближении крылья сначала соприкасаются передними краями, а затем всей плоскостью. Благодаря этому крылья как бы выдавливают оказавшийся между ними воздух. То же происходит при встрече крыльев под телом при взмахе вниз. Кроме того, при таком замедленном просмотре скоростного фильма видно, как крылья бабочек плавно изгибаются, по их крыльям пробегает волна от переднего края к заднему, и они как бы плавают, медленно шевеля крыльями.

А - адмирал; Б - крапивница.

Стрекоза пользуется самыми различными приёмами в полёте; то она взмахивает попеременно передними и задними крыльями, то вдруг переходит на планирующий полёт на распростёртых неподвижных крыльях, то опять взмахивает крыльями, но на этот раз сразу вместе и передними и задними. Наблюдались случаи, когда стрекоза делала взмахи одной передней парой крыльев, держа спокойно распростёртой заднюю пару. Часто можно видеть, как стрекоза висит неподвижно в воздухе, как бы «стоит», взмахивая крыльями на одном месте. Стрекоза может также в полёте двигаться не только вперёд, но и назад, а, преследуя ускользающую добычу (мелких насекомых), может взмывать на короткое расстояние вверх почти вертикально.

Аэродинамикам известно явление, называемое фляттер . Это вредные колебания крыла в полёте, которые у скоростных самолётов могут достигать опасных размеров, так что крылья даже ломаются. Техники долгое время искали способы погашения этих вредных колебаний. Гибли модели новых испытываемых самолётов, погибали и лётчики-испытатели, но конструкторы долго не могли найти правильного решения задачи. Наконец, задача была решена: противофляттерное устройство было найдено. У передней кромки на конце каждого крыла делалось утяжеление (в простейшем случае запаивалась свинцовая гиря) - оно гасило вредные колебания.

Машущий полёт насекомых, и в частности полёт стрекоз, также обладает вредными колебаниями. Природа в течение веков вырабатывала приспособления для борьбы с фляттером. Это приспособление отчётливо выражено у большинства стрекоз. На каждом крыле в вершинной его части у переднего края имеется тёмное хитиновое утолщение - птеростигма, или крыловый глазок. Удаление этого глазка, не лишая стрекозу возможности летать, нарушает правильность колебаний крыла, стрекоза начинает как бы порхать. Опыты показали механическое значение этих образований, регулирующих колебания крыла. Глазок оказался приспособлением, избавляющим машущее крыло от вредных колебаний типа фляттер. Если бы это значение крылового глазка у стрекоз было бы известно раньше, чем техники изобрели противофляттерное устройство у самолётов, то, заимствовав его у насекомых, можно было бы избежать долгих поисков.

У жуков, когда они не летают, передние жёсткие крылья, или надкрылья, накрывают и защищают сложенные задние перепончатые крылья. Надкрыльями жуки почти не пользуются в полёте; надкрылья только слегка качаются в такт взмахам задних крыльев. В полёте надкрылья жуки держат под некоторым углом друг к другу - в виде латинской буквы V. Это обеспечивает поперечную устойчивость жуков в полёте, так же как V-образно приподнятые крылья у самолёта обеспечивают его устойчивость при поворотах. Когда самолёт поворачивает, он накреняется и ложится на одно крыло, другое при этом поднимается кверху. Набегающий на крыло воздух давит на его поверхность и возвращает к прежнему положению, выправляя самолёт.

Жуки из семейства бронзовок летают со сложенными надкрыльями, выставляя из-под них перепончатые крылья. Полёт бронзовок обладает большой маневренностью.

Самой большой скоростью полёта обладают бабочки-бражники и слепни : они развивают скорость от 14 до 15 метров в секунду. Стрекозы летают со скоростью 10 метров в секунду, жуки-навозники - до 7 метров в секунду, майские жуки - до 3 метров в секунду, пчёлы - до 6,7 метра в секунду.

Однажды наблюдали, как крупная стрекоза не отставала от самолёта, летевшего со скоростью 144 километра в час, и временами даже обгоняла его.

Скорость полёта насекомых в сравнении с птицами мала. Если шмель делает 18 километров в час, то ворона - 50 километров, скворец - 70, а стриж - 100 километров. Рекордная скорость винтомоторного самолёта - 900 километров в час.

Однако если подсчитать, с какой скоростью двигаются вперёд шмель, стриж, скворец, ворона и самолёт на расстояние, равное длине собственного тела, то оказывается, что относительная скорость будет меньше всего у самолёта и больше всего у насекомых.