Надо Знать

добавить знаний



Полет птиц



План:


Введение

Два обычных чайки в полете

Полет - главный тип передвижения ( локомоции) большинства видов птиц, который помогает им питаться, мигрировать и убегать хищников. Умение летать требует от птиц способности решать немало задач, от собственно полета до взлета, посадки и ориентации, способы решения этих задач сильно зависит от размера птицы и ее экологической ниши. Хотя некоторые биологические адаптации (например, уменьшение массы) характерны для всех птиц, другие (например, форма крыльев) характерны только для определенных групп и обусловливают присущие именно им способы полета.


1. История исследования

Рисунок полета птицы, сделан Леонардо да Винчи.

Начало исследованиям полета птиц заложил еще Аристотель в работе "Части животных", в четвертой книге. Он считал, что скорость пропорциональна силе, действующей на тело, поэтому для его движения постоянно необходим "движок", что движет тело, а сам при этом остается неподвижным. Чтобы объяснить движение летающих объектов, Аристотель был вынужден ввести понятие передачи функции "двигателя" частям воздуха. Понятие инерции, ускорение и аэродинамического сопротивления тогда еще не были известны, поэтому фактически физика полета осталась необъяснимой.

Только через два тысячелетия следующий значительный шаг вперед сделал Леонардо да Винчи в своем труде "О полет птиц". Его заметки, написанные в виде инструкций для птиц, подробно описывали, что нужно делать только при равномерном полете, но и для взлета и посадки, при порыве ветра и в других ситуациях. Его изображение детально показывали этапы движения частей тела птиц. Также он ввел понятие давления воздуха и его изменений вокруг крыльев. Однако работы Леонардо да Винчи о полете птиц долго оставались малоизвестными - их было опубликовано только в середине ХХ века.

В работе Джованни Альфонсо Борелли "О движении животных", опубликованной 1680 года, подробно описано анатомию птиц с точки зрения механики и построены модель, которая объясняла образования подъемной силы. Также Борелли опроверг идею Аристотеля о роли хвоста птицы в регулировании направления полета.

Следующие этапы развития знаний о полете птиц связаны со становлением гидродинамики. Так, Христиан Гюйгенс в ХVИИ веке измерил зависимость аэродинамического сопротивления от скорости, а его ученик, Готфрид Лейбниц фактически ввел понятия закона сохранения энергии. В 1738 году Даниэль Бернулли в работе "Гидродинамика" опубликовал выведенный им закон, который связывал давление жидкости с ее скоростью (сейчас известен как закон Бернулли), на основе которого Леонард Эйлер вывел набор дифференциальных уравнений, которые описывали движение жидкости. Эти уравнения впервые позволили количественное описание полета, хотя и не давали правдоподобных результатов из-за отсутствия у них вязкости. Лишь в 1843 году в работе Жан-Клода Барре де Сен-Венана, написанной на основе работ Мари-Анри Навье и, независимо, в работе 1845 года Габриэля Стокса уравнения Эйлера были дополнены вязкостью и получили название уравнений Навье-Стокса.

Летательный аппарат Отто Лилиенталя, 1894 год.

Первые попытки применения этих принципов для копирования полета птиц и создания летательных аппаратов тяжелее воздуха были осуществлены Джорджем Кейли в начале ХИХ века. В своих работах 1809 - 1810 лет он опубликовал первые количественные расчеты деталей полета птиц и вывел форму наименьшего сопротивления для заданного объема. Он осуществил первые попытки создания искусственных летательных аппаратов, однако, завершились неудачей. Эти попытки были продолжены Отто Лилиенталь, который также подробно исследовал полет птиц и сделал на его основе собственный летательный аппарат, но его эксперименты закончились даже хуже - сам Лилиенталь погиб от травм, полученных при аварии. В 1880-х годах Этьен-Жюль Маре еще ​​дальше продвинулся в исследовании полета птиц, когда снял первые фильмы полета птиц и сконструировал очень сложные экспериментальные установки для измерения сил и давления воздуха во многих точках вокруг птицы, в частности он измерил эмпирическую зависимость аэродинамического сопротивления от поверхности.

Серия фотографий полета пеликана, сделана Маре, 1882 год.

В начале ХХ века, с созданием работающих самолетов, основное направление гидро-и аэродинамики сместился с исследования птиц на исследование аппаратов с неподвижными крыльями. Для этих аппаратов были созданы детальные теории, и хотя обычно считалось, что их можно применять и для птиц, экспериментальных исследований практически не проводилось. Большим прорывом середины ХХ века стало, однако, создание треугольного крыла (например, в Конкорда) с целью создания стабильного вихря на переднем крае крыла, принцип, что, как было показано позднее, широко используется насекомыми и, вероятно, птицами.

Лишь в 1960-х годах исследования полета птиц началось прежде всего именно для изучения птиц. В то время уже была детально известна функциональная анатомия этих животных [1] [2], хотя некоторые детали были открыты гораздо позже [3] [4]. Тогда же стало возможным и использование рентгеновской фотографии для визуализации костей в полете и сокращений отдельных мышц [5]. Также были измерены затраты энергии на различные цели при полете. Исследования не ограничивались лабораторными, развитие радаров позволил измерять скорость полета в естественных условиях и изучать стратегию поведения птиц в различных случаях.

Однако все еще неизвестно, насколько современная аэродинамическая теория может быть применена к птицам и способна ли она описать все режимы их полета. Птицы способны подниматься с места и приземляться в любом месте, способны зависать на одном месте и эффективно использовать ветер. Каким образом они все это делают, до сих пор остается предметом исследований.


2. Эволюция

Археоптерикс, Оксфордский музей орнитологии

Считается признанным, что птицы развились из небольших тероподних динозавров, однако сам механизм возникновения способности к полету является одним из старейших нерешенных вопросов палеонтологии [6] [7]. Главными являются три гипотезы:

  • "С деревьев вниз" ( англ. arboreal или trees down, Marsh, 1877 [8]), по которой предки птиц сначала научились планировать вниз с деревьев, после чего развили эту способность до настоящего полета за счет силы мышц;
  • "С земли вверх" ( англ. cursorial или ground up, Williston, 1879 [9]), по которой предки птиц были небольшими ловкими динозаврами, развившие перья для других нужд, а затем стали использовать его для поднятия в воздух и полета;
  • "Бег с помощью крыльев", вариант "с земли вверх", в котором крылья развились для образования направленной вниз силы, делало лучший контакт с поверхностью, а в результате - высокую скорость бега и способность бегать по вертикальным поверхностям.

До сих пор остается неизвестным, имел способность летать первый известный птица - археоптерикс (Archaeopteryx). С одной стороны, археоптерикс был структуры мозга и сенсоры внутреннего уха, которые птицы используют для контроля своего полета [10], а его перья было расположено подобно перьев современных птиц. С другой стороны, археоптерикс не имел плечевого механизма, с помощью которого современные птицы совершают быстрые восходящие движения, это может, в частности, указывать на то, что первые птицы не были способны к махового полета, но могли парить [11]. Наличие большинства ископаемых этой птицы в приморских районах без густой растительности также привело к гипотезе, что эти птицы могли использовать крылья для бега по поверхности воды, подобно ящериц-василисков [12].


2.1. С деревьев вниз

Это самая по времени выражения гипотеза, созданная по примеру парящих позвоночных, таких как выверки-литягы. По этой гипотезе, протоптахы, подобные археоптерикса, использовали когти для того, чтобы подниматься на деревья, с которых они взлетали с помощью крыльев. [13] [14]

Однако более поздние исследования поставили эту гипотезу под сомнение, приводя данные, что первые птицы не умели лазить по деревьям. Современные птицы, имеющие такую ​​способность, имеют значительно скривлениши и прочные когти, чем у живущих на земле; когти же птиц Мезозойской эры, как и в связанных с ними динозавров-тероподов, подобные когтей современных наземных птиц [15].


2.2. С земли вверх

Подорожник, бегущий по дороге, Невада

Перья было достаточно распространенным среди целурозавр, включая раннего тиранозавроида Dilong [16], а современных птиц палеонтологи часто относят именно к этой группе [17], хотя некоторые орнитологи относят их к родственным группам. [13] [14] Функциями этого перья могли быть теплоизоляция или половая демонстрация. В распространенной версии возникновения полета "с земли вверх" утверждается, что предки птиц были небольшими наземными хищниками (как современный подорожник), которые использовали свои передние конечности для поддержания равновесия, а позже эти покрытые перьями конечности развились в крылья, способные поддерживать птицу в полете [18]. Другой вариант гипотезы выводит развитие полета со полового поведения и драк: для привлечения внимания противоположного пола развилось длинные перья и сильные конечности, сначала использовались как оружие, а потом оказались пригодными к махового полета [19]. Также, из-за того, что много остатков археоптерикса происходят из морских отложений, было предложено, что крылья могли помогать этим птицам двигаться и по поверхности воды [20].

Противники этих гипотез прежде критикуют предположение, что птицы произошли именно от целурозавр. В частности, на основе эмбриологического анализа, что указывает на образование крыльев с 2, 3 и 4 пальцев ( гомологов указательного, среднего и безымянного пальцев человека, первый из этих пальцев у птиц формирует придаточное крыло, для предотвращения опрокидывания в полете, например при посадке), но передние конечности целурозавр были сформированы пальцами 1, 2 и 3 ( большой и последующие два пальца человека) [21] [22]. Однако эти эмбриологические исследования также подвергнуто сомнению через различные типы развития конечностей у различных групп родственных животных, которые могли потерять пальцы и развить новые в процессе эволюции [23] [24] [24].


2.3. Бег с помощью крыльев

Гипотеза "бега с помощью крыльев" основана на наблюдении молодых кеклик и утверждает, что крылья получили свои аэродинамические функции в результате необходимости быстро бегать по крутым поверхностям, таких как стволы деревьев, или для избежания хищников или, наоборот, для неожиданной атаки. Для этого требовалась сила, прижимающая птицу поверхности [25] [26] [27]. Однако первые птицы, включая археоптерикса не имели плечевого механизма, с помощью которого современные птицы совершают быстрые движения вверх, а из-за того, что образование силы вниз требует этого механизма, эта гипотеза подвергается значительной критике [11].


2.4. Потеря полета в некоторых современных птиц

Некоторые виды птиц, особенно те, которые живут на изолированных островах, где нет наземных хищников, потеряли способность к полету. Это доказывает, что, несмотря на большие преимущества полета, он требует больших затрат энергии, и поэтому, когда нет хищников, может стать ненужным.

3. Анатомия структур, приспособленных к полету

Скелет крыла
1. придаточное крыло
2. терминальная фаланга большого пальца
3. базальная фаланга большого пальца
4. малый палец
5-6. карпометакарпус
7. внешняя локтевая кость
8. внешняя лучевая кость
9. лучевая кость
10. локтевая кость
11. плечевая кость
12. клювовидный отросток
13. лопатка

3.1. Скелет крыла

Передние конечности птиц - крылья - являются главными частями тела, приспособленными для полета. Каждое крыло имеет главную поверхность, которой оно разрезает воздух, состоящий из трех костей: плечевой, локтевой и лучевой. Кисть конечности, эволюционно состояла из пяти пальцев, редуцирована до трех пальцев (пальцы II, III и IV или I, II, III, в зависимости от схемы нумерации [28], а ее назначением является место крепления маховых перьев первого порядка , одной из двух главных групп маховых перьев, который отвечает за форму крыла. Второй набор маховых перьев находится позади кистевого сустава локтевой кости и называется маховых второго порядка. Остальные перья называется кроющими и делится на три набора. Иногда крыло имеет рудиментарные когти, хотя в большинстве видов они теряются до времени достижения птицей половой зрелости (например, у птенцов гоацинов, лазающих по деревьям). Но они сохраняются в таких птиц как птица-секретарь, паламедея, лапчастоногы, страусы, некоторые серпокрыльцы и в некоторых других видов птиц в качестве частой, но не общей черты. Когти ископаемого археоптерикса напоминают по строению когти гоацинов.

В гигантских буревестников и альбатросов также существует механизм закрепления суставов крыльев в одном положении для уменьшения нагрузки на мышцы во время парящего полета [12].


3.2. Перья крыльев

Группы перья крыла
1. маховые 1-го порядка
2. кроющие 1-го порядка
3. перья придаточного крылья
4. маховое 2-го порядка
5. большое кроющие 2-го порядка
6. среднее кроющие 2-го порядка
7. малое кроющие 2-го порядка
8. маховые 3-го порядка
9. плечевые перья

Главным перьями, используемый для полета и предоставляет крыльям и хвосту птицы их внешнюю форму, является маховые перья или просто маховые. Маховые крыло обычно делится на две или три главные группы: маховые первого, второго и иногда третьего порядка. Маховые первого порядка крепится с помощью сухожилия к костям кисти, второго порядка - к локтевой кости, и третьего - к плечевой кости. Кажется, для большинства видов птиц маховые первого порядка в наибольшей степени отвечает за способность летать: даже полное удаление остальных перья крыльев не влияет на дальность и скорость полета, но заметное укорочение маховых первого порядка, особенно наиболее дистальных, практически лишает птиц способности летать [ 29] [12]. Большая часть площади маховых перьев покрыта так называемым кроющими, что защищает его и закрывает щели у основания.


3.3. Придаточное крыло

Отдельной частью крыла является придаточное крыло, расположенное на переднем краю крыла, у основания кисти, и способно раскрываться вперед и вверх от этого края. По самой распространенной версии, его функция подобна функции предкрылков самолета, используемых для предотвращения сваливанию, т.е. внезапной потере скорости при медленном полете или торможении при посадке. Другие авторы, однако, не согласны с этой версией [12], указывая на недостаточность данных и предлагая гипотезы создания дополнительного вихря и стабилизации таким образом начала вихря треугольного крыла [30].


3.4. Типовые формы крыльев

Кряква -самец в полете

Форма крыла является важным фактором, определяющим тип и характеристики полета, до которого способен птица. Различные формы крыльев соответствуют различным компромиссным решением для создания нужных характеристик, таких как скорость полета, расход энергии и маневренность. Планформа крыла (форма его двумерной горизонтальной проекции) может быть примерно описана двумя параметрами: относительным удлинением и нагрузкой на крыло. Относительное удлинение крыла - это отношение размах крыльев и средней ширины крыла (или квадрат размаха крыльев, разделен на площадь крыльев). Нагрузка на крыло - отношение массы птицы к суммарной площади крыльев.

Большинство видов птиц могут быть сгруппированы по форме крыльев несколько общих типов, хотя это деление различается между различными работами, а при любом разделении часть птиц занимает промежуточное положение между ними. В частности, обычным делением является деление на эллиптические крылья, скоростные крылья, крылья с высоким относительным удлинением и крылья для парения, следующие [31].

Типовые формы крыльев
Эллиптические крылья

Эллиптические крылья короткие и закругленные, с небольшим относительным удлинением, что позволяет птицам маневрировать в ограниченном пространстве, например в условиях густой растительности. Такие крылья характерны для лесных хищников (например, ястреба) и многих воробьинообразных, особенно немиграторних (миграторни виды имеют длинные крылья, необходимые для длительных перелетов). Также эта форма крыльев обычная у видов, которые избегают хищников за счет быстрого взлета, например фазанов и куропаток.

Скоростные крылья

Скоростные крылья короткие и заостренные, они высокая нагрузка на крыло и обеспечивают высокую частоту взмахов для оказания максимальной скорости за счет значительных затрат энергии. Обычно такие крылья типичные для небольших птиц и характеризуются очень большой относительной длиной кисти крылья. Этот тип крыльев характерно для быстрых птиц, таких как сапсан, серпокрыльцы и большинство уток. Подобная форма крыльев характерна и для альковы, хотя и для другой цели - Алька используют эти крылья для упирнання и "полета" под водой. Птицы с такими крыльями являются рекордсменами скорости - сапсан развивает скорость до 140 км / ч (по некоторым данным даже до 300 км / ч), а голкохвостий серпокрилець - до 170 км / час.

Особым случаем крыльев этого типа есть крылья колибри. Их крылья имеют самую известную среди птиц длину кисти, что составляет около 81% длины всего крыла. Эта часть крыла у колибри наиболее подвижная, способная вращаться вокруг своей оси почти на 180 [12].

Крылья с высоким относительным удлинением
Розовый крачек имеет крылья с низкой нагрузкой на крыло для медленного полета, однако способен нырять за рыбой.

Крылья с высоким относительным удлинением очень длинными и стройными, обычно они характеризуются низкой нагрузкой на крыло и используются для медленного полета, почти парения. Такие крылья характерны для пустельг, крачек, козодоев и птиц, способные переходить на динамическое парение над волнами для сохранения энергии, распространено среди морских птиц.

Особым случаем этого типа есть крылья гигантских буревестников и альбатросов, наиболее приспособленных к длительному парению. Эти крылья характеризуются наименьшей относительной длиной кисти, около 25% от длины крыла, и наибольшим числом маховых второго порядка - 40. Эти птицы также имеют типичный для них механизм закрепления суставов крыльев несколько отличную строение маховых перьев кисти [12] [32].

Крылья для парения

Крылья для парения довольно широкие и характерные для больших сухопутных птиц, таких как орлы, грифы, пеликаны и аиста. Глубокие бороздки на концах крыльев между маховыми перьями уменьшают силу сопротивления воздуха, а относительно короткий размер позволяет подниматься с поверхности земли без необходимости в значительном разгоне.

Несколько подобные крылья цапель и ибисов, которые обычно используются для медленного махового полета.


3.5. Хвост

Вилкообразно хвост ласточки

В основании хвоста птиц лежат кости 5-7 позвонков и пигостилю, к которому крепятся маховые хвоста. Число маховых хвоста разное у разных видов птиц, от нуля в пирникоз до 22-24 в пеликанов, уток и лебедей. Перья хвоста обычно способно раскрываться, существенно увеличивая площадь, кроме того, хвост может двигаться в двух направлениях с помощью шести пар мышц. Хотя у большинства птиц перья хвоста примерно одной длины, образуя плоский раскрыт хвост, форма хвоста может быть весьма различной. Например, в сороки, фазанов, олуш некоторых голубей и кукушек центральное перо длиннее, через что хвост имеет округлую форму. В некоторых фаэтонов, бджолоидок, поморников некоторых рябки и птиц-секретарей центральное перья гораздо дольше. Напротив, в деревенской ласточки, фрегатов и некоторых крачек центральное перья гораздо короче, образуя вилкообразно хвост.

Долгое центральное перья хвоста красноклювый фаэтона

Хвост участвует в стабилизации полета и маневрировании как за счет подъемной силы, так и силы трения. Длинные жесткие хвосты, особенно длинным центральным перьями, наиболее приспособлены для создания трения, максимально прилагая к стабильности полета. Напротив, вилкоподобную хвосты образуют подъемную силу почти без силы трения, обеспечивая маневренность при быстром полете. Морские птицы часто имеют очень короткие хвосты, ничего не добавляют к маневренности при медленном полете, эти птицы могут позволить себе такие хвосты из-за отсутствия помех. Наоборот, в лесных птиц хвосты должны предоставлять им высокую стабильность и устойчивость к столкновениям, для чего наиболее удобны длинные относительно прямые хвосты [12].


3.6. Другие адаптации к полету

Хотя образование крыльев и перья являются заметной адаптации к полету, требования полета привели ко многим другим изменениям организма птиц.

Скелет птиц довольно отличный от остальных современных животных наличием полых костей, что заметно уменьшает его массу. Кроме того, у птиц отсутствует целый ряд костей, еще существовали в археоптерикса, в частности исчез костный хвост, а челюсть с зубами была заменена легким клювом. Также в скелете появился киль, большая кость, к которой крепятся маховые мышцы крыльев. Перья летающих птиц также отличается от перьев многих нелетающих наличием микроскопических крючков, удерживающие перо вместе и предоставляют ему необходимую для полета прочность.

Важной адаптацией, предназначенной для обеспечения высоких затрат энергии и, соответственно, высокой скорости метаболизма, является образование однонаправленного дыхательной системы. Воздух проходит через легкие птиц при каждом вдохе и выдохе, попадая в воздушных мешков, что позволяет, в отличие от остальных животных, эффективно использовать весь объем легких.


4. Режимы полета

4.1. Взлет

Разбег малого гоголя при взлете

Стратегия взлета может существенно отличаться, прежде всего в зависимости от размера птицы. Маленькие птицы требуют относительно небольшого или даже нулевой начальной скорости, генерируемой за счет прыжка. В частности такое поведение было продемонстрировано на примере обычного скворца и обычной перепелки, которые способны генерировать 80-90% скорости полета за счет скачка [33], достигая ускорения до 48 м / c 2. При этом скворцы часто используют эластичную энергию ветви, на котором сидят, хотя и не способны регулировать силу прыжка зависимости от ее толщины [34]. Другие небольшие птицы, такие как колибри, чьи ноги слишком тонкие для прыжка, начинают махать крыльями еще на земле, достигая подъемной силы до 1,6 веса птицы [35].

Большие птицы обычно неспособны взлетать с места и требуют начальной скорости для полета. Чаще всего эта скорость достигается за счет взлета против ветра. В дополнение часто птицы вынуждены бежать определенное расстояние по поверхности земли или воды. Некоторые крупные птицы, такие как орлы, используют скалы, высокие ветви деревьев и другие высокие точки для получения скорости за счет падения, морские птицы часто частично способны достичь подобного эффекта за счет взлета гребня волн [36].


4.2. Посадка

Главной задачей при посадке является уменьшение скорости до безопасного уровня. Основным инструментом для этого у всех птиц есть ноги, на которые приземляется птица, позволяющие как амортизировать удар, так и сохранять вертикальное положение птицы. Однако эффективность амортизации с помощью ног сильно варьирует между видами. У птиц, которые проводят в воздухе большую часть времени, таких как колибри, серпокрыльцы и ласточки, ноги слабые и не очень полезны для этой цели, с другой стороны, в подорожников, тетеревов и куропаток ноги сильные, способные полностью амортизировать медленный полет этих птиц. Механизм использования ног несколько варьирует от выставления ног вперед большими птицами, увеличивая сопротивление воздуха и готовясь к столкновению с поверхностью, к захвату ветви, на которую птица собирается приземлиться, небольшими.

В дополнение к амортизации ногами, большинство птиц вынуждены использовать дополнительные механизмы. Так, много птиц, в частности хищных, всегда приземляются против ветра. При этом почти всегда крылья разведены в стороны, а придаточное крыло полностью вытянут. Много птиц, особенно крупных, перед посадкой движутся ниже места посадки (ветви или скалы), а за несколько метров до цели поднимаются вверх без махания крыльев, гася таким образом скорость полета. Этот подход позволяет достигать почти нулевой скорости даже тогда, когда нет ветра.

Тушение скорости не так важно для водоплавающих и некоторых морских птиц, которые обычно способны гасить скорость о воду при помощи своих широких ног. Ноги не обязательно должны иметь перемычки для торможения - такие птицы, как аиста, цапли и журавли, имеют идеальные для этой цели ноги. Обычно эти птицы способны и до посадки на горизонтальную поверхность земли, но часто делают это неуклюже [37].


4.3. Маховое полет

Маховое полет черного лебедя

Не все птицы и не всегда способны пользоваться различными типами парения для получения энергии, в частности это почти невозможно для небольших птиц. Эти птицы вынуждены получать энергию за счет взмахов крыльев силой сильных грудных мышц.

Маховое полет состоит из двух отдельных типов движения: рабочего хода и зворотнего ходу. Во время рабочего хода крыло движется вперед и вниз, а обратный ход возвращает крыло в исходную позицию. При этом внутренняя часть крыла в первую очередь генерирует подъемную силу, тогда как кисть генерирует тягу толкает птицы вперед. Во время рабочего хода маховые первого порядка сведено вместе, формируя плотную обтекаемую поверхность. Наоборот, во время зворонего ходу маховые первого порядка многих, особенно небольших, птиц вращается вокруг своей оси, позволяя протекания воздуха между ним. Большие птицы или длиннокрылая маленькие птицы полностью или частично сгибают крылья, приближая их к туловищу [38].


4.4. Методы сохранения энергии

Маховое полет может быть очень затратным, от 2 до 20 раз превышая основной обмен [12]. Поэтому птицы вынуждены развить несколько механизмов уменьшения затрат при этом режиме полета.

Прерывистый полет

Одним из средств сохранения энергии во время полета является прерывистый полет, при котором несколько взмахов перемежаются свободным полетом. При этом существует несколько способов, которыми этот механизм теоретически может сохранять энергию. В крупных и средних птиц во время перерывы крылья плотно прижаты к телу, что позволяет уменьшать силу трения. По оценкам, общая экономия энергии при полете зяблика составляет до 35%. Если птица держит крылья раскрытыми во время перерыва, полет состоит из фазы разгона при маховых полета, а затем планирование во время перерыва. Такой полет увеличивает подъемную силу и по модели позволяет сохранять до 11% энергии. Кажется, птицы могут пользоваться обеими стратегиями зависимости от скорости полета. Кроме того, оптимальная частота взмахов крыльев с точки зрения использования мышц может быть больше нужную для полета, из-за чего прерывистый полет дает возможность использовать мышцы в оптимальной режиме.

Прерывистый полет крайне характерен для некоторых групп птиц. Так, он является примечательным характеристикой полета дятлов, что в зависимости от вида, машут крыльями от 30% до 93% времени полета, остальные приходится на паузы. Обычная сорока также проводит до 60% полета в состоянии пауз в махание. Прерывистый полет у некоторых видов может происходить даже во время зависания на месте без ветра и с ним, несмотря на это птице удается поддерживать свое неподвижное положение относительно земли [12].

Полет упорядоченной группой

Позади концов крыльев птиц, подобно крыльям самолетов, образуются восходящие потоки воздуха. Хотя при маховому полете птиц потоки колеблются, общая картина такая же как и у аппаратов с неподвижным крылом. Таким образом, при полете V-образной группой редкая птица находится в зоне восходящих потоков предыдущего, что позволяет им экономить энергию. Наибольший эффект достигается для крупных птиц, и только для них преимущества превышают расходы на поддержание точного расстояния, через что подобное поведение наиболее характерно для этой группы [12].


4.5. Зависание

Схема зависания колибри

Зависание на месте от окружающего воздуха ( англ. hovering ) Является сложной задачей, большинство птиц или совсем неспособны к нему, или способны это делать в течение очень небольшого промежутка времени. Фактически хорошо это делать могут только колибри, масса тела которых варьирует между 2 и 8 г. Немногим больше нектарници, что весят от 10 до 20 г, способны это делать только если нет другого удобного способа добраться до цветка. При таком зависании крылья колибри почти невидимые, а крылья нектарниць, что двигаются гораздо медленнее, видимые как прозрачный диск вокруг птицы. Во время зависания эти птицы способны в случае необходимости медленно двигаться в сторону или назад.

При зависании на месте тело птицы находится в почти вертикальной позиции, его ось составляет угол 40-50 с горизонтальной плоскостью. При этом крылья движутся практически взад-вперед, описывая восьмерку. Как движение вперед так и движение обратно осуществляется с некоторым понижением относительно горизонтальной плоскости, тогда как в крайних положениях крыла несколько поднимаются вверх. Угол движения составляет около 130 , примерно одинаково вперед и назад. Кисть крыла при этом вращается почти на 180 при изменении направления движения, постоянно удерживая положительный угол атаки. Частота движения составляет 36-39 Гц в Chlorostilbon lucidus и 27-30 Гц в черного Якобины (Florisuga fusca), максимальная скорость - 20 м / с [12]. При этом колибри способны поднимать груз весом 80-200% веса собственного тела [39].


4.6. Зависание против ветра

Достаточно отличным режимом полета является зависание относительно поверхности земли за счет полета против ветра со скоростью ветра ( англ. windhovering ). Такое поведение характерно для многих хищных птиц и птиц, которые специализируются на охоте и рыбалке: пустельги, скопы, крачек, поморников некоторых рибалочок. Неподвижное состояние относительно поверхности помогает птице фокусировать глаза на земле и выглядеть добычу. Однако этот режим полета легкий при оптимальной скорости ветра, а по другим условиям требует значительно больших усилий.

При зависании относительно земли голова обычно остается исключительно неподвижной. Так, в случае пустельг, ее колебания составляют до 6 мм, причем колебания не коррелируют со взмахами крыльев. При этом, птице удается даже достаточно быстро реагировать на изменения скорости ветра, не способны изменить положение головы [12].


4.7. Парение

Парением называется полет без активного использования энергии со стороны птицы, осуществляется либо за счет потери скорости или высоты в спокойном воздухе, либо за счет использования движения воздуха для получения энергии. Птицы способны применять несколько стратегий такого использования, описаны ниже.

Наклонное парения

Препятствия ветра, такие как холмы, скалы, плотины, дайки, лесополосы и другие неровности поверхности заставляют воздух в определенных местах вокруг них двигаться в вертикальном направлении. Хотя измерения условий воздуха над неровной поверхностью часто является сложной задачей, многие виды птиц способны пользоваться такими восходящими потоками, эта стратегия называется наклонным парением.

Например, при наблюдениях полета пустельг над дайки в Нидерландах было показано, что при ветре скоростью 8,7 м / с птицы всегда держались на высоте 6,5 1,5 м над наветренных боком дайки, поддерживая угол атаки крыла между 6 и 7 [40].

Динамическое парение

Еще одним атмосферным явлением разница скорости ветра на различных расстояниях от поверхности, особенно заметна над океаном. При сильном ветре (7 баллов по шкале Бофорта) его скорость составляет 15 м / с на высоте 10 м, но только 10 м / с на высоте 1 м. Альбатросы и многие другие морских птиц активно используют эту разницу, этот процесс известен как динамическое парение. Для этого, по распространенной моделью этого процесса, птица периодически поднимается и опускается, набирая горизонтальную скорость в быстрых верхних слоях воздуха и вертикальную у низших, за счет большей по окружающий воздух скорости полета [12].

Парение над волнами

Морские птицы также используют еще два механизма парения, связанные с наличием волн. Первый тип подобный описанному выше пожилого парения и связан с возникновением восходящих потоков воздуха перед волной. Так, типичная волна высотой 1 м и шириной 12 м способна создать восходящий поток воздуха скоростью 1,65 м / с. Много птиц, таких как альбатросы, глупышей, мартини и пеликаны, при полете постоянно балансируют на наветренной стороне волны, пользуясь этими потоками. Обычно движение происходит параллельно гребню волны. Когда волна заканчивается, птица движется по инерции, разыскивая новую волну. Реже, но, птица может двигаться и вместе с волной [12].

Другой способ получать энергию от волн заключается в том, что за волной всегда находится участок спокойного воздуха. Птицы, такие как альбатросы и буревестники часто летят там, постоянно поднимаясь и опускаясь и фактически пользуясь механизмом динамического парения [41].

Термальное парения

Еще один тип парения связан с использованием птицами термальных колонн - потоков восходящего воздуха, возникающие из-за нагрева воздуха от поверхности и нестабильность при подъеме этого воздуха вверх. Термальные колонны обычные над плоской поверхностью. Этим методом пользуются многие крупные птицы, воздерживаясь с пределах колонны за счет кружение на месте. Из-за того, что такое поведение характерно для многих хищных птиц, в частности грифов, коршунов, канюков, птиц-секретарей, возникла ложная мысль об ожидании птицей добычи. Этим методом, однако, пользуются и аиста, пеликаны и другие птицы, которые не являются хищными. Птицы, которые пользуются термальным парением, обычно имеют небольшое относительное удлинение крыла (примерно 15:1), что делает их не очень хорошими для скоростного парения, в отличие от, например, альбатросов. Однако такое относительное удлинение крыла позволяет кружить кругом меньшего радиуса, который помогает оставаться в пределах термальной колонны. В некоторых случаях термальный парения возможно и без кружения, когда птица летит от одного термальной колонны к другой, набирая высоту во время пролета сквозь колонны [12].


4.8. Маневрирование

Маневрирование во время полета достигается за счет вращения вокруг трех осей относительно тела птицы. Вращение вокруг оси тела птицы достигается за счет разницы подъемной силы между двумя крыльями. Птицы с длинными заостренными V-образными хвостами также помогают вращению вокруг оси с помощью хвоста. Вращение вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной оси птицы достигается опусканием головы и поднятием хвоста. Третья ось проходит вертикально, а вращение вокруг этой оси контролируется с помощью относительной разницы в тяге между двумя крыльями. Хотя в принципе этот тип вращения может использоваться для поворота, обычно этого не происходит: вместо этого поворот осуществляется с помощью двух других типов вращения: птица сначала вращается вокруг оси тела, а после достижения определенного угла - вокруг перпендикулярной оси [12].

Асимметричная тяга и подъемная сила, необходимые для маневрирования, достигаются за счет изменения силы трения и подъемной силы, осуществляется разной степенью извлечения крыльев, разным углом атаки и разной частотой махание крыльев. Хвост также помогает поворота с помощью наклона в горизонтальном и вертикальном направлениях. Например, голуби при резком повороте наклонялись на угол 30 , после чего двигались по кругу в медленном полете с ускорением 600 рад / с. Поворот вокруг оси птицы в этих экспериментах происходило за счет разницы подъемной силы, потому что махание крыльями происходило с разницей в частоте в 17%. При этом изменения угла атаки или площади крыльев не было зарегистрировано [42].


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам