Наиболее специфическая форма движения птиц, определившая основные черты организации этого класса, - полет. Аэродинамика полета птиц сложна и до сих пор известна лишь в общих чертах. Связано это с тем, что в полете меняется положение маховых и площадь крыла, с разной скоростью и под разными углами к горизонту двигаются кистевая и основная части крыла и т.п.
Грубо схематично физическую основу полета можно характеризовать так. Крыло всегда сверху более или менее выпукло, а снизу вогнуто, передний край крыла более толстый (здесь лежит скелет, мышцы и несколько слоев перьев), задний - тонкий и эластичный (образован лишь вершинами маховых). Обтекая верхнюю выпуклую поверхность крыла, встречный поток воздуха ускоряет движение, и над крылом образуется область пониженного давления. Создается подъемная сила, подсасывающая (поднимающая) крыло вверх. Когда в полете птица опускает крыло, одновременно протекают два процесса. Отгибающиеся под давлением воздуха первостепенные маховые концевой части крыла создают пропеллирующий эффект, в результате чего возникает тяговая сила, толкающая крыло (и птицу) вперед. Одновременно воздух обтекает основную часть крыла (область второстепенных маховых) и здесь создается, за счет разности давлений над крылом и под крылом, подъемная сила, преодолевающая силу тяжести птицы. При подъеме крыла вверх маховые несколько поворачиваются, пропуская воздух (см. рис. 40), и поэтому подъем совершается с меньшим усилием. Двигающаяся вверх и назад вершина крыла создает некоторую дополнительную силу тяги, а основная часть крыла по-прежнему создает подъемную силу. Подъемная сила возникает и при обтекании воздухом тела и хвоста летящей птицы.
Такой полет, когда птица ритмично поднимает и опускает крылья, называется машущим. Изменяя площадь крыла и его наклон ("угол атаки"), варьируя частоту взмахов, птица изменяет величину тяги и подъемной силы, меняя тем самым скорость и высоту полета. Различия в размерах и форме тела, размерах и форме крыльев и хвоста, в интенсивности и амплитуде взмахов крыла определяют свойственный каждому виду характер полета. Медленный, со спокойными и редкими взмахами крыльев полет цапли отличен от стремительного и маневренного полета ласточек и стрижей и от быстрого, но прямолинейного полета уток. Но все эти птицы летают машущим полетом. Одна из форм машущего полета - трепещущий полет, когда птица, усиленно работая крыльями, на короткое время "повисает" в воздухе на одном месте. Так делают чайки, крачки, мелкие хищники, высматривающие добычу. Сходным образом "повисают" в воздухе около цветка высасывающие нектар колибри; при этом крыло совершает 50-80 взмахов в секунду.
Второй тип полета - парящий; птица с распростертыми практически неподвижными крыльями перемещается, используя энергию потоков воздуха. Различают статическое и динамическое парение. Статическое парение возможно над материками, где устойчивые восходящие токи воздуха возникают на стыках ландшафтов (лес и поле и т. п.) или при обтекании воздухом препятствий - обрывов, горных вершин. Для птиц, использующих устойчивые токи воздуха, характерны большие, широкие, закругленные крылья с расходящимися на концах вершинами первостепенных маховых. Такой полет используют хищные птицы, аисты, пеликаны. Широкими кругами птицы постепенно набирают высоту и затем кружат, высматривая добычу, или, планируя с потерей высоты, перемещаются в нужном направлении ( рис. 46). Динамическое парение свойственно морским птицам (альбатросы, буревестники, чайки), имеющим длинные, но узкие, с заостренной вершиной крылья. Используя завихрения воздуха над волнами или разную скорость воздушных потоков, птица по ветру планирует вниз, набирая скорость, и у самой воды, где скорость ветра замедлена трением о воду, поворачивается против ветра и взмывает вверх, где воздух движется быстрее ( рис. 47). Так птица может парить часами, высматривая добычу и хватая ее с пикирования. При отсутствии ветра эти птицы парить не могут и, плавая, пережидают безветрие.
Летающие планирующим полетом птицы способны и к машущему полету. К нему они прибегают, чтобы найти восходящий термический поток, подлететь к гнезду, увернуться от опасности и т. п. Однако долго летать машущим полетом они не могут. С другой стороны, птицы, летающие машущим полетом, временами переходят на скольжение или планирование. В общем, каждый вид пользуется характерным для него полетом, но при необходимости способен менять как характер полета, так и его скорость. Лесные мелкие воробьиные птицы летают со скоростью 25-40 км/ч, голуби - 30-60, утки и многие кулики - 65-80 км/ч; ловящие насекомых в воздухе ласточки обычно летают со скоростью 40-60 км/ч, а стрижи - даже до 100- 120 км/ч.
Самый быстрый летун нашей фауны - живущий в Приморье колючехвостый стриж - Hirundapus caudatus - развивает скорость до 170 км в час. Таковы скорости, с которыми птицы могут летать длительное время. Например, почтовый голубь, летя со скоростью 50- 60 км/ч, способен пролететь без остановок около 600 км. На короткое время птицы способны развивать и большие скорости. Крупные соколы летают со скоростью 60-70 км/ч, но при броске за добычей развивают скорость более 100 км/ч, а бросаясь на нее с высоты, за счет инерции пикирования - и до 300-350 км/ч. Такую же скорость, но на очень короткое время - на десятки секунд - способны развивать увертывающиеся от хищника стрижи, голуби, утки.
Лётные возможности и характер полета каждого вида тесно связаны со всеми особенностями его жизни: предпочитаемыми местообитаниями, набором кормов и способами его добывания, приемами избегания опасности, дальностью сезонных перемещений и т. п. Виды, кормящиеся в воде и при опасности прячущиеся в зарослях или ныряющие, обладают быстрым, но не маневренным полетом (утки, гагары и др.). Кормящиеся на земле и при опасности старающиеся сначала затаиться куриные птицы имеют короткие и широкие крылья, позволяющие им с шумом стремительно взлетать под носом ошеломленного хищника и, пролетев небольшое расстояние, скрыться в зарослях; громкое хлопанье крыльев при взлете предупреждает об опасности соседей. Быстрый полет рябков позволяет им гнездиться вдали от водоемов и ежедневно летать на водопой за десятки километров. Разыскивая добычу, орлы, канюки, коршуны часами парят в воздухе над открытыми пространствами. Подстерегающие добычу и преследующие ее в лесу ястребы обладают маневренным полетом, позволяющим преследовать добычу в кронах деревьев. Разыскивающие добычу на земле и в поверхносных слоях воды чайки и крачки чередуют маневренный машущий полет с динамическим парением и кратковременным "зависанием". Часами носятся в воздухе, ловя мелких насекомых, стрижи; они чередуют быстрый машущий полет со скольжением. Эти быстрые и неутомимые летуны пьют на лету, спариваются в воздухе и даже способны ночью спать, медленно, со скоростью 30-40 км/ч, летая кругами на большой высоте.
Птицы – высокоорганизованные теплокровные животные, приспособленные к полету. Благодаря большой численности и широкому распространению на Земле они играют исключительно важную и многообразную роль в природе и хозяйственной деятельности человека. Известно свыше 9 тыс. современных видов птиц.
Общие черты организации птиц в связи с их приспособ ленностью к полету:
Рис. 45. Топография частей тела птиц: 1 – лоб; 2 – уздечка; 3 – темя; 4 – кроющие уха; 5 – зашеек; 6 – спина; 7 – надхвостье; 8 – верхние кроющие хвоста; 9 – рулевые перья; 10 – нижние кроющие хвоста; 11 – подхвостье; 12 – голень; 13 – задний палец; 14 – цевка; 15 – бока; 16 – брюхо; 17 – зоб; 18 – горло; 19 – подбородок; 20 – щеки; 21 – подклювье; 22 – надклювье; 23 – плечевые перья; 24 – верхние кроющие крыла; 25 – второстепенные маховые; 26 – первостепенные маховые.
Органы дыхания – легкие. У летящей птицы дыхание двой ное: газообмен в легких осуществляется как при вдохе, так и при выдохе, когда атмосферный воздух из воздушных мешков поступает в легкие. Благодаря двойному дыханию птица во время полета не задыхается.
Сердце четырехкамерное, все органы и ткани снабжаются чистой артериальной кровью. В результате интенсивного процесса жизнедеятельности вырабатывается много тепла, которое удерживается перьевым покровом. Поэтому все птицы - теплокровные животные с постоянной температурой тела.
Органы выделения и виды конечных продуктов азотистого обмена такие же, как и у пресмыкающихся. Отсутствует лишь мочевой пузырь в связи с необходимостью облегчения массы тела птицы.
Как и у всех позвоночных, головной мозг птиц имеет пять отделов. Наиболее развиты большие полушария переднего моз га, покрытые гладкой корой, и мозжечок, благодаря которым птицы обладают хорошей координацией движений и сложными формами поведения. Ориентировка птиц в пространстве осуществляется с помощью острого зрения и слуха.
Птицы раздельнополы, большинству видов свойственен половой диморфизм. У самок развит только левый яичник. Оплодотворение внутреннее, развитие прямое. Птицы большинства видов откладывают яйца в гнезда, обогревают их теплом своего тела (насиживание), вылупившихся птенцов выкармливают. В зависимости от степени развитости вылупившихся из яиц птенцов выделяют гнездовых и выводковых птиц.
Особенности строения и жизнедеятельности
У птиц голова небольшая, шея длинная и чрезвычайно подвижная. Челюсти лишены зубов, вытянуты и образуют клюв, одетый роговым чехлом. Форма клюва сильно варьирует в связи с разнообразием пищевых объектов. По бокам головы расположены крупные глаза, а ниже их имеются наружные слуховые отверстия.
Передние конечности превращены в летательный орган - крылья. Задние конечности имеют разнообразное строение, которое зависит от условий обитания и способов добывания пищи. Нижняя часть ног и пальцы покрыты роговыми чешуями. Хвост короткий, снабжен веером рулевых перьев, причем у разных птиц неодинакового строения.
Кожа птиц тонкая, сухая, лишена желез. Исключение составляет лишь копчиковая железа, расположенная под корнем хвоста. Она выделяет жиросодержащий секрет, которым птица смазывает перья при помощи клюва. Железа сильно развита у водоплавающих птиц. Кожа их покрыта своеобразным роговым покровом, состоящим из перьев. Перья птицы служат целям терморегуляции, главным образом сохранению тепла, создают «обтекаемую» поверхность тела и предохраняют кожные покровы от повреждений. Хотя тело птиц обычно сплошь покрыто перьями (за исключением некоторых оголённых участков – вокруг глаз, у основания клюва и т.д.), перья растут не на всей поверхности тела птицы. У летающих птиц перья отмечены лишь на определенных участках кожи (участки тела, несущие перья – птерилии, не несущие перьев – аптерии), а у нелетающих равномерно покрывают все тело.
Рис. 46. Аптерии и птериилии на теле птицы. Точками помечены птерилии
а
Рис. 47. Строение махового пера: а – общий вид; б – схема строения опахала; 1 – очин; 2 – стержень; 3 – опахало; 4 – бородки первого порядка; 5 – бородки второго порядка; 6 – крючочки.
У подавляющего большинства птиц имеются контурные и пуховые перья. Контурное перо состоит из стержня, очина и опахала (рис. 47). Опахало образовано многочисленными отходящими от стержня по обе стороны пластинами – бородками первого порядка, на которых расположены более тонкие, сцепленные друг с другом при помощи крючков бородки второго порядка. В результате этого сцепленное опахало представляет собой легкую упругую пластинку, которая в случае разрыва (например, ветром) легко восстанавливается. Контурные перья образуют летательные плоскости крыльев, хвоста, а также придают телу птицы обтекаемую поверхность. Пуховые перья имеют тонкий стержень и лишены бородок второго порядка, благодаря чему они не имеют цельных опахал. Пуховые перья расположены под контурными. Основная их функция – сохранение тепла тела птицы.
Скелет птиц (рис. 48) отличается прочностью и легкостью. Прочность обеспечивается ранним срастанием ряда костей, легкость – наличием в них воздушных полостей.
Строение черепа птиц сходно со строением черепа пресмыкающихся, но отличается большой легкостью, объемной мозговой коробкой, которая заканчивается клювом, а с боков несет огромные глазницы.
Рис. 48. Скелет птицы: 1 – нижняя челюсть; 2 – череп; 3 – шейные позвонки; 4 – грудные позвонки; 5 – плечевая кость; 6 – кости пясти и пальцев; 7 – кости предплечья; 8 – лопатка; 9 – ребра; 10 – таз; 11 – хвостовые позвонки; 12 – копчиковая кость; 13 – бедренная кость; 14 – кости голени; 15 – цевка; 16 – фаланги пальцев; 17 – киль грудины; 18 – грудина; 19 –коракоид; 20 – ключица.
У взрослой птицы кости черепной коробки срастаются до полного исчезновения швов.
Позвоночник, как и у всех наземных позвоночных, состоит из пяти отделов - шейного, грудного, поясничного, крестцового и хвостового. Большую подвижность сохраняет лишь шейный отдел. Грудные позвонки малоподвижны, а поясничные и крестцовые прочно срастаются друг с другом (сложный крестец) и с костями таза. Срастаются и некоторые кости плечевого пояса: саблевидная лопатка с вороньей костью, ключицы друг с другом, что обеспечивает прочность плечевого пояса, к которому прикрепляются передние конечности – крылья. Они содержат все типичные отделы: плечевую, локтевую и лучевую кости предплечья и кисть, кости которой срастаются. Из пальцев сохраняются только три.
Тазовый пояс обеспечивает надежную опору для задних конечностей, что достигается сращением подвздошных костей на всем протяжении со сложным крестцом. Благодаря тому, что тазовые (лобковые) кости не срастаются и широко раздвинуты, птица может откладывать крупные яйца.
Мощные задние конечности образованы типичными для всех наземных животных костями. Для укрепления голени малая берцовая кость приращена к большой берцовой. Кости плюсны срастаются с частью костей предплюсны с образованием свойственной только птицам кости – цевки. Из четырех пальцев чаще всего три направлены вперед, один – назад.
Грудную клетку образуют грудные позвонки, ребра и грудина. Каждое ребро состоит из двух костных отделов – спинного и брюшного, подвижно сочлененных друг с другом, что обеспечивает приближение или отведение грудины от позвоночника при дыхании. Грудина у птиц велика и имеет большой выступ - киль, к которому прикрепляются грудные мышцы, приводящие крылья в движение.
Из-за большой подвижности и разнообразия движений муску латура птиц отличается высокой степенью дифференцированности. Наибольшего развития достигли грудные мышцы (1/5 общей массы птицы), которые прикреплены к килю грудины и служат для опускания крыльев. Расположенные под грудными подключичные мышцы обеспечивают поднимание крыльев. Скорость полета птиц различна: 60-70 км/ч у уток и
65-100 км/ч у сокола-сапсана. Наибольшая скорость отмечена у черного стрижа - 110-150 км/ч.
Мощная мускулатура ног у птиц, утративших способность к полету, позволяет быстро передвигаться по суше (страусы бегают в среднем со скоростью 30 км/ч).
Интенсивная двигательная активность птиц требует больших затрат энергии.
В связи с этим система пищеварительных орга нов имеет ряд особенностей. Пища захватывается и удерживается роговым клювом, в ротовой полости смачивается слюной и продвигается в пищевод. У основания шеи пищевод расширяется в зоб, особенно хорошо развитый у зерноядных птиц. В зобе пища накапливается, набухает и частично подвергается химической переработке. В переднем, железистом отделе желудка птиц происходит химическая обработка поступающей пищи, в заднем, мускульном, - ее механическая переработка. Стенки мускульного отдела работают как жернова и перетирают твердую и грубую пищу. Этому способствуют и проглоченные птицами камешки. Из желудка пища последовательно поступает в двенадцатиперстную кишку, тонкую и короткую толстую кишку, которая заканчивается клоакой. Из-за недоразвития прямой кишки птицы часто освобождают кишечник, что облегчает их массу. Мощные пищеварительные железы (печень и поджелудочная железа) активно выделяют пищеварительные ферменты в полость двенадцатиперстной кишки и перерабатывают пищу в зависимости от ее вида за 1 – 4 часа. Большие затраты энергии требуют поступления значительного количества корма: 50 – 80 % от массы тела за сутки у мелких птиц и 20 – 40 % у крупных.
В связи с полетом птицы имеют своеобразное строение орга нов дыхания. Легкие птиц представляют собой плотные губчатые тела. Бронхи, войдя в легкие, сильно в них ветвятся до тончайших, слепо замкнутых бронхиол, опутанных сетью капилляров, где и происходит газообмен. Часть крупных бронхов, не разветвляясь, выходит за пределы легких и расширяется в огромные тонкостенные воздушные мешки, объем которых во много раз превосходит объем легких (рис. 49).
Воздушные мешки расположены между различными внутренними органами, а их ответвления проходят между мышцами, под кожу и в полости костей. Акт дыхания у нелетящей птицы осуществляется путем изменения объема грудной клетки за счет приближения или удаления грудины от позвоночника. В полете такой механизм дыхания невозможен в связи с работой грудных мышц, и он совершается при участии воздушных мешков. При подъеме крыльев мешки растягиваются и воздух через ноздри с силой засасывается в легкие и далее в сами мешки. При опускании крыльев воздушные мешки сжимаются и воздух из них поступает в легкие, где вновь происходит газообмен. Обмен газами в легких на вдохе и выдохе получил название двойного дыхания. Приспособительное значение его очевидно: чем чаще птица машет крыльями, тем активнее она дышит. Кроме того, воздушные мешки предохраняют тело птицы от перегрева во время быстрого полета.
Рис. 49. Дыхательная система голубя: 1 – трахея; 2 – легкое;
3 – воздушные мешки.
Высокий уровень жизнедеятельности птиц обусловлен более совершенной системой кровообращения по сравнению с животными предыдущих классов, У них произошло полное разделение артериального и венозного потоков крови. Это связано с тем, что сердце птиц четырехкамерное и полностью разделено на левую – артериальную, и правую – венозную, части. Дуга аорты только одна (правая) и отходит от левого желудочка. В ней течет чистая артериальная кровь, снабжающая все ткани и органы тела.
Рис. 50. Внутренние органы птиц: 1 – пищевод; 2 – железистый желудок; 3 – селезёнка; 4 – мускульный желудок; 5 – поджелудочная железа; 6 – двенадцатиперстная кишка; 7 – тонкая кишка; 8 – прямая кишка; 9 – слепые кишки; 10 – клоака; 11 – зоб; 12 – печень; 13 – трахея; 14 – нижняя гортань; 15 – лёгкие и воздушные мешки; 16 – семенники; 17 – семяпроводы; 18 – почки; 19 – мочеточники.
От правого желудочка отходит легочная артерия, несущая в легкие венозную кровь. Кровь быстро движется по сосудам, газообмен происходит интенсивно, выделяется много тепла. Температура тела поддерживается постоянной и высокой (у разных птиц от 38 до 43,5°С). Это ведет к общему подъему процессов жизнедеятельности организма птицы.
В ответ на понижение температуры внешней среды птицы не впадают в спячку, как земноводные и пресмыкающиеся, а усиливают передвижение - кочевки или перелеты, т. е. мигрируют в более благоприятные условия существования.
Выделение конечных продуктов метаболизма осуществляется крупными тазовыми почками. Мочевой пузырь отсутствует. Как и у большинства пресмыкающихся, продуктом азотистого обмена является мочевая кислота. В клоаке вода, содержащаяся в моче, всасывается и вновь возвращается в организм, а густая моча смешивается с остатками непереваренной пищи и выводится наружу.
Головной мозг птиц отличается от мозга пресмыкающихся большими размерами полушарий переднего мозга и мозжечка. Птицы обладают острым зрением и отличным слухом. Глаза у них крупные, особенно у ночных и сумеречных птиц. Аккомодация зрения двойная, что достигается изменением кривизны хрусталика и расстояния между хрусталиком и сетчаткой. У всех птиц цветовое зрение. Орган слуха представлен внутренним, средним ухом и наружным слуховым проходом. Обоняние развито слабо, за исключением немногих видов.
Размножение птиц характеризуется рядом прогрессивных черт: 1) оплодотворенные яйца, покрытые прочной скорлуповой оболочкой, откладываются не просто в наружную среду, а в специальные сооружения – гнезда; 2) яйца развиваются под влиянием тепла тела родителей и не зависят от случайной непогоды, что характерно для развивающихся яиц рыб, земноводных и пресмыкающихся; 3) гнезда защищаются от врагов родителями; 4) птенцы не оставляются на произвол судьбы, а длительное время выкармливаются, охраняются и обучаются родителями, что способствует сохранению молодняка.
Оплодотворение у птиц внутреннее. В связи с откладкой крупных яиц, утяжеляющих птиц, у самок развит только левый яичник. У птиц самые крупные вживотном царстве яйцеклетки за счет большого количества содержащегося в них желтка. Железы яйцевода выделяют подскорлуповые и скорлуповую оболочки, через многочисленные поры которых происходит газообмен зародыша с внешней средой.
Происхождение птиц. Птицы имеют родственную связь с пресмыкающимися. Вероятно, обособление птиц от группы пресмыкающихся, которые были предками крокодилов, динозавров и летающих ящеров, произошло в конце триасового или начале юрского периода мезозойской эры (т. е. 170 – 190 млн. лет назад). Эволюция этой группы пресмыкающихся шла путем приспособления к лазанию по деревьям, в связи с чем задние конечности служили для опоры тела, а передние специализировались для обхвата пальцами ветвей. В последующем развилась способность к порханию с ветки на ветку и планирующему полету.
Непосредственные предки птиц не обнаружены. Известны палеонтологические находки промежуточного между пресмыкающимися и птицами звена – археоптерикса.
Гнездование, кочевки и перелеты. Сезонные явления в жизни птиц выражены более ярко, чем у других классов, и носят совсем иной характер.
С наступлением весны птицы приступают к размножению, они разбиваются на пары, происходят брачные игры (токование), характер которых специфичен для каждого вида. Многие виды образуют пары на всю жизнь (крупные хищники, совы, цапли, аисты и др.), другие – сезонные пары. Есть виды птиц, которые пар совсем не образуют, и вся забота о потомстве выпадает только на долю одного пола – самки.
Гнезда птиц разнообразны, но каждый вид имеет более или менее определенную форму: дупло, нора, лепные и шаровидные гнезда и т. д. Некоторые виды птиц гнезда не строят (кайра, козодой).
Число яиц в кладке варьирует у разных видов птиц от 1 (кайры, чайки, дневные хищники, пингвины и др.) до 26 (серая куропатка). У одних птиц насиживание яиц осуществляется одним из родителей (только самками – у куриных, воробьиных, гусеобразных, сов, или только самцами – у австралийских и американских страусов), у других птиц – обоими. Продолжительность насиживания различна и в некоторой мере связана с величиной яйца – от 14 дней у воробьиных до 42 у африканского страуса.
В зависимости от степени развитости птенцов при вылуплении из яйца различают две группы птиц: выводковые и гнездовые (птенцовые). У первых птенцы появляются зрячими, покрытыми пухом, способными ходить и самостоятельно склевывать корм (страусы, куриные, гусеобразные). У гнездовых птенцы полностью или частично голые, слепые, беспомощные, долго остаются в гнезде и выкармливаются родителями (воробьиные, дятлы, стрижи и др.).
В летний период птицы линяют, растут, запасают питательные вещества. С наступлением осенних холодов они не снижают уровня своей жизнедеятельности, как земноводные и пресмыкающиеся, а, наоборот, повышают его, увеличивая свою подвижность и кочуя в поисках корма. Кроме того, птицы сильно жиреют и таким образом приспосабливаются к зимовке.
Оседлые птицы (белая куропатка, синицы, воробьи, сойки, вороны и др.) с наступлением неблагоприятных условий держатся в одной и той же местности. Кочующие птицы (свиристели, снегири, клесты, чечетки и др.) покидают летние местообитания и улетают на сравнительно небольшие расстояния. Перелетные птицы (аисты, гуси, кулики, стрижи, иволги, соловьи, ласточки, кукушки и др.) оставляют места гнездового ареала и улетают на места зимовок за многие тысячи километров. Большинство их летят стаей, и лишь немногие (кукушка) в одиночку. Крупные птицы летят определенным строем (гуси – шеренгой, журавли – клином), мелкие – беспорядочными стайками. Первыми улетают насекомоядные, затем – зерноядные и позже всех – водоплавающие и болотные птицы.
Полагают, что перелеты птиц возникли в результате периодических перемен климатических условий, связанных со сменой времен года. Непосредственными причинами перелетов считают сложные взаимодействия как внешних (укорочение светового дня, понижение температуры, ухудшение условий добывания пищи), так и внутренних факторов (физиологические изменения в организме в связи с окончанием периода размножения).
При изучении перелетов огромное значение имеет метод кольцевания. Пойманным птицам одевают на лапку алюминиевое кольцо, на котором указаны их номер и учреждение, проводящее кольцевание. В СССР кольцевание велось с 1924 года. Все сведения о кольцевании и добыче окольцованных птиц поступают в Центр кольцевания РАН (Москва). Метод кольцевания позволил выяснить пути и скорости перелета птиц, постоянство возврата с зимовок к старым местам гнездования, места зимовок и др.
Разнообразие птиц и их значение. Класс Птицы представлен более чем 40 отрядами. Рассмотрим некоторые из них.
Отряд Пингвинообразные. Распространены в Южном полушарии. Птицы хорошо плавают и ныряют с помощью передних конечностей, преобразованных в ласты. На грудине хорошо развит киль. На суше держат тело вертикально. Перья плотно налегают друг на друга, что препятствует их раздуванию ветром и проникновению воды. Подкожные отложения жира способствуют теплозащите. Кормятся в море рыбой, моллюсками, ракообразными. Гнездятся колониями. Пары сохраняются несколько лет. Вылупившиеся птенцы покрыты густым и коротким пухом. После периода размножения стаи пингвинов с подросшим молодняком кочуют в море. Императорский пингвин гнездится на береговых льдах Антарктиды, его масса достигает почти 40 кг.
Надотряд Страусообразные. Характеризуются отсутствием киля на грудине и способности к полету. Перья рассучены, так как бородки не сцеплены из-за отсутствия крючков. Мощные задние конечности имеют два или три пальца, что связано с быстротой передвижения. Африканский страус – самая крупная из ныне живущих птиц – достигает массы 75 – 100 кг. Несколько самок (2 – 5) откладывают яйца весом около 1,5 кг в общее гнездо. Самец насиживает кладку ночью, самки поочередно днем.
К страусообразным птицам принадлежит нанду (Южная Америка), эму и казуар (Австралия), киви (Новая Зеландия).
Отряд Аистообразные. Обитают по берегам мелководных водоемов. Небольшая перепонка между основаниями длинных пальцев ног аистообразных позволяет им уверенно шагать по топким местам. Летают птицы медленно активным или парящим полетом. Питаются разнообразной животной пищей, схватывая ее длинным, жестким, как пинцет, клювом. В гнезде 2 – 8 яиц; птенцов кормят оба родителя. К отряду относятся аисты, цапли, фламинго и др.
Аисты – перелетные птицы, зимуют в Центральной и Южной Африке, в некоторых районах Южной Азии. Белый аист – крупная птица с большими черными крыльями и длинными красными ногами. Гнездятся одиночными парами. Аист выпугивает добычу, медленно бродя по лесным полянам, лугам, берегам водоемов. Черный аист гнездится в глухих лесах. Он занесен в Красную книгу.
Отряд Дневные хищные птицы. Распространены в самых разнообразных местообитаниях: в лесах, горах, степях, на водоемах и др. Птицы имеют короткий, но сильный клюв с резко загнутым книзу острым юнцом надклювья. У основания надклювья есть восковица – участок голой, часто окрашенной кожи, на которой открываются наружные ноздри. Мускулатура груди и задних конечностей мощная. Пальцы заканчиваются крупными изогнутыми когтями.
Полет, быстрый, маневренный, многие виды способны к длительному парению. Одни виды хищников поедают только мертвых животных (стервятники, грифы, сипы), другие ловят живую добычу (соколы, орлы, ястребы, канюки, луни).
Большинство видов хищных птиц приносит пользу, истребляя мышевидных грызунов, сусликов, вредных насекомых. Виды, питающиеся падалью, выполняют санитарную функцию. Численность хищных птиц резко сократилась из-за изменения ландшафтов, отравления ядохимикатами и прямого истребления. Во многих странах хищные птицы охраняются. В Красную книгу занесены: скопа, змееяд, большой подорлик, беркут.
Отряд Совообразные включает ночных птиц (совы, филины, сычи, сипухи), населяющих все регионы земного шара. Они приспособлены к охоте в ночных условиях: у них крупные глаза, направленные вперед, хорошо развитый слух, бесшумный полет. Питаются животной пищей, в основном мышевидными грызунами. Гнездятся в дуплах. Яйца насиживает самка, самец носит ей корм. Через 3 – 6 недель птенцы приобретают способность к полету. Истребляют вредных животных. Совообразные птицы нуждаются в охране.
Отряд Курообразные включает наземных и наземно-древесных птиц. Они имеют короткий и выпуклый клюв, короткие и широкие крылья. От пищевода обособлен объемистый зоб. Мускулистый желудок выстлан плотной ребристой кутикулой. Для улучшения перетирания пищи птицы заглатывают камешки, которые скапливаются в желудке и играют роль жерновов. Питаются растительной пищей - вегетативными частями растений, плодами, семенами, попутно попавшимися беспозвоночными. Самцы окрашены ярче самок.
Почти все виды курообразкых – объекты спортивной охоты и разведения. Промысловое значение имеют рябчик, белая куропатка, тетерев, а в некоторых районах – кеклик и серая куропатка. Из-за разнообразной хозяйственной деятельности человека, неумеренной охоты численность многих видов снизилась, а ареалы распространения сократились.
Отряд Воробьиные – самый большой отряд, включающий примерно 60% всех ныне живущих видов. Его представители распространены по всем континентам, кроме Антарктиды. Они сильно различаются размерами, внешним обликом и экологическими особенностями. Строят гнезда (иногда очень искусно) в ветвях, расщелинах скал, дуплах, на земле и т. п. Птенцы вылупляются слепыми, голыми и слабо опушеными. Большинство воробьиных – насекомоядные птицы.
Жаворонки обитают на открытых ландшафтах (в поле, на лугах, в степи). Прилетают ранней весной. Питаются только на земле беспозвоночными и семенами. Гнездятся на земле. Самцы часто поют в воздухе.
Ласточки гнездятся по долинам рек, опушкам леса, в поселениях человека. Насекомых ловят в воздухе на лету с помощью широкого рта. По земле ходят мало. Некоторые виды (городская ласточка) строят лепные гнезда из комочков грязи, скрепляя их липкой слюной; другие роют норы в обрывах (береговая ласточка) или гнездятся в дуплах, расщелинах.
Синицы гнездятся в дуплах, откладывая от 10 до 16 яиц. Насиживает часто самка, а самец ее кормит, птенцов выкармливают оба родителя. Кормятся различными насекомыми и их личинками, едят ягоды и семена. Легко привлекаются в культурные ландшафты при устройстве искусственных гнездований. Очень полезны как истребители разнообразных вредных насекомых.
Обобщая характеристику основных отрядов птиц, можно сделать выводы о их значении в природе. Благодаря высокой численности и высокому уровню жизнедеятельности птицы ежедневно потребляют огромное количество растительной и животной пищи, существенно влияя на природные биоценозы. Особенно велика их роль в регулировании численности насекомых и мелких грызунов. Нередко птицы сами служат пищей для других животных.
Кроме того, птицы способствуют расселению растений в результате распространения ими семян. Склевывая сочные плоды рябины, бузины, брусники, черемухи, черники, они перелетают с места на место и выбрасывают вместе с пометом неповрежденные семена.
Многие птицы истребляют насекомых-вредителей культурных и ценных дикорастущих растений. Полезны также и хищные птицы, уничтожающие мелких грызунов - вредителей полевых культур и распространителей инфекционных заболеваний (чумы, желтухи и др.).
На многих диких птиц существует спортивная и промысловая охота. Важное хозяйственное значение имеет сбор гагачьего пуха, обладающего большой мягкостью и малой теплопроводностью.
Помет морских водоплавающих птиц (пеликанов, бакланов и др.) – гуано – используется в качестве ценного удобрения.
Одной из экономически выгодных отраслей животноводства является птицеводство, которое обеспечивает человека ценными мясными продуктами, яйцами, пером. Птицеводство поставлено на промышленную основу. На крупных современных птицефабриках весь процесс выращивания птиц (кур, уток, индеек, гусей) механизирован.
Контрольные вопросы:
Какие черты организации характерны птицам в связи с приспособлением к полёту?
В чём особенность строения пищеварительной системы птиц?
Чем характеризуется двойное дыхание птиц?
Что обеспечивает теплокровность птиц?
Какие прогрессивные черты характерны размножению птиц?
Какие сезонные явления отмечаются в жизни птиц?
Какова роль птиц в природе и в хозяйственной деятельности человека?
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.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Сила притяжения, которая, как бы высоко мы ни подпрыгивали, всегда возвращает нас на землю, воздействует, разумеется, и на птиц. Поэтому в воздухе их должна удерживать сила, противодействующая силе тяжести. Эту противодействующую силу создает крыло. Оно у птиц не плоское, как доска, а выгнутое. Это значит, что струя воздуха, огибающая крыло, должна пройти по верхней стороне более длинный путь, чем по вогнутой нижней. Чтобы оба воздушных потока достигли оконечности крыла одновременно, воздушный поток над крылом должен двигаться быстрее, чем под крылом. Поэтому скорость течения воздуха над крылом увеличивается, а давление уменьшается. Разность давлений под крылом и над ним создает подъемную силу, направленную вверх и противодействующую силе тяжести.
Подъемная сила зависит от величины и формы крыла . Также важны и скорость, с которой воздух обтекает крыло, то есть скорость встречного воздушного потока, и угол, под которым поток воздуха достигает переднего края крыла. Изменяя угол наклона крыла (в авиации его называют углом атаки), птица может влиять на подъемную силу. Если она повернет крыло слишком круто относительно направления воздушного потока, то струя воздуха как бы отрывается от крыла и птица начинает падать. Одновременно с падением происходит торможение полета перед приземлением, так как при этом увеличивается лобовое сопротивление крыла.
Самая простая форма полета - планирование . Птица спрыгивает с высокого дерева или скалы и планирует по наклонной вниз. При этом в движение ее приводит направленная вниз сила тяжести. Воздушный поток, обтекающий крыло, создает, как было описано выше, подъемную силу, которая тормозит падение. Чем лучше аэродинамические качества крыла (то есть чем больше разрежение воздуха над крылом и выше скорость воздушного потока), тем дольше птице удается планировать. Если на крыло действуют и другие направленные вверх силы, например восходящие потоки теплого воздуха или сильные ветры, то птица может, не размахивая крыльями, парить в небе. Дневные хищные сарычи или орлы подолгу кружатся в восходящих потоках теплого воздуха, а чайки парят при сильных морских ветрах. Устойчиво парить в воздухе может только птица массой и величиной не меньше вороны. Более мелкие птицы или те, у которых относительно маленькие крылья, должны энергично махать ими, чтобы оставаться в воздухе и двигаться вперед. Такой способ полета называют машущим, или активным, в отличие от парящего, или пассивного.
Как мы уже говорили, крыло состоит из двух групп перьев . Расположенные на тыльной стороне кисти большие, или первостепенные, маховые перья создают во время полета тягу, а прикрепленные к предплечью, точнее - к локтевой кости, малые, или второстепенные, маховые перья составляют несущую поверхность крыла. Поскольку второстепенные маховые перья находятся ближе к телу, они лишь немного двигаются вверх и вниз. Обтекающий их воздушный поток создает над и под ними, как при парении, разные давления. Эта часть крыла при машущем полете образует подъемную силу. Длинные первостепенные маховые перья по форме напоминают лопасти пропеллера. Амплитуда их движения вверх и вниз больше, поэтому они создают тягу. Чтобы при ударе крылом о воздух не уменьшались подъемная сила и тяга, мелкие птицы подтягивают крылья к телу и в таком положении поднимают их вверх, У более крупных птиц первостепенные маховые перья свободно колеблются, и птицы расправляют их только тогда, когда второстепенные маховые достигают нижней точки перед новым взмахом. Когда птицы поворачиваются в полете, у них одно крыло либо движется быстрее и энергичнее, либо частично сложено и поэтому становится меньше. Кроме того, рулем у многих птиц служит хвост.
Летные качества птицы определяет главным образом форма ее крыльев. Например, для быстрого полета больше всего подходят узкие, заостренные на концах крылья, как, скажем, у соколов или черных стрижей. Округлые широкие крылья позволяют маневрировать в полете. Они жизненно необходимы всем птицам, летающим в кустарниковых зарослях и междудеревьями. У большинства певчих, например воробьиных или сорок, а также охотящихся в лесах дневных хищных птиц - ястреба-перепелятника и большого ястреба - такие крылья. У сарычей, орлов и журавлей - птиц, парящих в слабых восходящих воздушных потоках, - крылья большие, широкие, закругленные спереди. А у носящихся над морем в сильных воздушных потоках чаек, буревестников и альбатросов, напротив, - длинные, узкие и заостренные.
Некоторые птицы вообще не могут летать. Пингвины живут главным образом в воде. Их крылья видоизменились в ласты, с помощью которых они "летают", правда, не в воздухе, а в воде. Не летают и большие бегающие птицы, например страусы. Они слишком тяжелы для полета. Чтобы подняться в воздух при такой массе, нужны огромные крылья. А чтобы двигать такими крыльями, мускулатура должна стать еще сильнее и массивнее.
Птица может летать, если ее масса не превышает 20 кг. Соотношение между несущей поверхностью крыла и размерами тела при большем весе таково, что, даже энергично взмахивая крыльями, птица не поднимется в воздух. Тяжелые дрофы и куры разбегаются, чтобы взлететь.
Воробей летает со скоростью 40 км/час. Черный стриж проносится в воздухе еще быстрее - его скорость от 60 до 80 км/час, а у сокола-сапсана в пикирующем полете она достигает 300 км/час. Удивительные данные приводят ученые о скорости полета маленькой колибри: от 48 до 150 км/час! Ни одна из птиц не обладает таким "мотором" и такой техникой пилотажа. Она то поднимается по спирали, то резко взмывает вверх, то устремляется вперед, падает, тормозит, висит в воздухе, летит боком, на спине.
Перелетные птицы должны быть выносливыми , иначе они не смогут совершать сезонные миграции. Ласточки из Восточной Европы летят над Средиземным морем и Сахарой в Восточную Африку, преодолевая без остановки до 2500 км. Бурокрылые ржанки, мигрирующие с Аляски на Гавайи, пролетают над водными просторами 4000 км, не имея возможности сделать в пути остановку. А полярные крачки - 20 000 км, с Ледовитого океана до ледовой кромки Антарктиды и обратно. Но они делают в пути привалы. Некоторые виды колибри отправляются в дальние опасные путешествия через горные цепи и морские просторы из Центральной Америки к берегам Аляски. Как удается этому крошечному созданию преодолевать такие расстояния?
Высота полета птиц зависит от географических и атмосферных условий. Воробьиные, например, могут лететь на высоте от 0,5 м над морем до 7000 м над горами. В среднем птицы при перелетах поднимаются на 1100-1600 м над уровнем моря, но многие предпочитают высоту 100-130 м. Если необходимо преодолеть горные массивы, то даже маленькие птицы могут подниматься на несколько тысяч метров. Безусловными рекордсменами признаны гуси, которые перелетают в Индию над Гималаями на высоте 8830 м.
На всем протяжении девятнадцатого века мы наблюдаем два практически не связанных процесса. С одной стороны, энтузиасты полетов, в основном практичные люди, развивали свои собственные довольно примитивные теории полета птиц и пытались применить свои выводы к требованиям полета человека. С другой стороны, представители науки развивали математическую теорию динамики жидкостей; это развитие не имело отношения к проблеме полета и не дало много полезной информации тем, кто стремился летать.
Исследования, направленные на реализацию желания человека летать, касались главным образом двух проблем: во-первых, определить мощность, потребную для полета; во-вторых, выяснить наиболее рациональные формы крыльев. Рассмотрим вкратце обе задачи и господствующие точки зрения в тот период.
Что касается вопроса мощности, потребной для полета, то тот факт, что птицы действительно летают по воздуху, предоставил определенную твердую поддержку для предположений. Довольно рано было признано, что в расчетах важную роль должны играть две характеристические величины. Одна из них - соотношение между весом W и площадью крыла S. Мы называем это соотношение удельной нагрузкой на крыло: Вторая величина - это соотношение между весом W и располагаемой мощностью Р. Соотношение называется нагрузкой на единицу мощности. В случае полета птицы, располагаемая мощность - это мышечная энергия, которую птица может прилагать в полете. Можно допустить, что последняя величина приблизительно пропорциональна весу птицы.
Тогда основной вопрос заключался в оценке потребной мощности и сравнении ее с располагаемой мощностью. Потребная мощность рассчитывается на основе предположения, что парящая птица, не работая крыльями, потеряла бы определенную высоту в единицу времени; она называется скоростью снижения. Для того чтобы летать горизонтально, птица должна выполнить, по крайней мере, столько работы, сколько необходимо для подъема ее тела со скоростью, достаточной для противодействия скорости снижения. Эта оценка привела к выводу, что потребная мощность на единицу веса (т. е. обратная величина нагрузке на единицу мощности) пропорциональна квадратному корню удельной нагрузки на крыло.
Общий вид этого правила был подтвержден более подробным анализом Шарля Ренара (1847-1905) , одного из лидеров раннего воздухоплавания во Франции. Он выразил мощность, потребную для горизонтального полета, как сумму мощности, необходимой для поддержания, и мощности, необходимой для движения самолета вперед, т. е. лобового сопротивления, умноженного на скорость. Его формула совершенно аналогична формулам, используемым в современной конструкции самолета. Затем он рассчитал скорость, при которой потребная мощность имеет минимальное значение, и подставил это значение в свою формулу. Результат оказался следующим:
и соответствует выражениям, полученным ранее для минимальной необходимой мощности для горизонтального полета (р обозначает плотность воздуха).
Постоянная в формуле Ренара зависит от предположений, сделанных а) для закона поддержания и б) для коэффициента лобового сопротивления самолета. Первое предположение очень важное.
Если для расчета силы поддержания используется закон сопротивления Ньютона, то для необходимой мощности, как мы указывали выше, получается ужасная цифра. Результат вычислений более правдоподобен, если подъемную силу рассчитывают с помощью одной из эмпирических формул, найденных на основе эксперимента. По Генри, современнику Ренара , постоянная в уравнении равнялась бы 0,18.
Если применить формулу Ренара к полету птиц, то очевидно, что потребная мощность на единицу веса птицы возрастает с нагрузкой на крыло. Интересно посмотреть, как нагрузка на крыло птиц фактически изменяется с их общим весом. На рис. 10 содержится информация, которую я подготовил на основе данных в La Machine animal, известной книге, написанной знаменитым французским физиологом Этьеном Жюлем Мареем (1830-1904) . Абсцисса - это вес в фунтах, а ордината - нагрузка на крыло в фунтах на квадратный фут; обе построены в логарифмических шкалах. Проведено различие между птицами, которые обычно парят, и теми, которые взмахивают крыльями. Вообще видно, что нагрузка на крыло возрастает с увеличением веса. Поскольку мы склонны считать, что мощность, которую птица может приложить с помощью грудных мышц, приблизительно пропорциональна ее весу, то отсюда следует, что полет представляет большую проблему для крупной птицы по сравнению с маленькой. Следовательно, делаем вывод, что существует определенный размер, сверх которого живое существо не может летать.
Известный немецкий физик Герман фон Гельмгольц (1821-1894) рассмотрел закон подобия летающих живых существ в статье, опубликованной в 1873 году . Он предположил, что вес животного пропорционален кубу, а площадь его крыла - квадрату его линейного размера. В соответствии с этим предположением, нагрузка на крыло
Рис. 10. Нагрузка на крыло птиц. Нагрузка на крыло в фунтах на квадратный фут построена в зависимости от веса в фунтах; обе в логарифмической шкале. Белые круги обозначают птиц, которые обычно парят, черные круги - тех, которые взмахивают крыльями. Прямая линия наклона 1: 3 соответствует закону подобия Гельмгольца.
увеличивается пропорционально кубическому корню веса. Эта зависимость представлена прямой линией наклона 1: 3 на рис. 10, где использована логарифмическая шкала. Таким образом, частный закон, предложенный Гельмгольцем, по-видимому, подтверждается, если мы рассматриваем только парящих птиц.
В академических кругах Германии ходил анекдот о том, как студент провалился на экзамене у Гельмгольца, так как он не смог доказать, что полет человека никогда не возможен. Сомневаюсь, что этот рассказ верен в этой версии. Возможно, студенту был задан вопрос о возможности полета человека с помощью его мышечной энергии. Рассмотрев влияние увеличения веса на возможность летать в животном царстве, Гельмгольц пришел к выводу, что у человека очень низкий шанс взлететь с помощью своей мышечной энергии.
До сих пор не было ни одной успешной попытки приведения в движение самолета на основе мышечной энергии человека. В 1937 году итальянцы Босси и Бономи успешно выдержали горизонтальный полет на винтовом самолете на расстояние около 2600 футов, хотя воздушные
Рис. 11. Профили крыла, изученные Горацио Филлипсом. (Из American Engineer and Railroad Journal, 67 (1893), 135.)
винты приводились в движение только мышечной энергией. Однако самолет не смог взлететь только в силу мышечной энергии. Некоторые люди верят, что, улучшив аэродинамику крыльев и двигателя и уменьшив вес конструкции, можно было бы сконструировать самолет, управляемый мышечной энергией.
Кроме внимательного изучения полета птиц, первые исследователи в области аэродинамики главным образом занимались определением особенно удобных форм крыла. Подобные исследования проводились как в аэродинамических трубах, так и с помощью реальных полетов на планере. На рис. 11 показан ряд профилей крыла, исследованных в аэродинамической трубе Филлипса . Отметим, что Филлипс исследовал кривые поверхности, у которых оказалось больше преимуществ, чем у плоских пластин. Эти наблюдения полностью подтвердил своими экспериментами полетов на планерах Отто Лилиенталь (1848-1896) . Исследователям того периода представлялись важными два вывода: во-первых, что кривая поверхность показывает положительную подъемную силу в случае нулевого угла атаки, т. е. если передняя и задняя кромки расположены на одинаковой высоте; во-вторых,
что аэродинамическое качество кривых поверхностей в некоторых случаях превосходит этот показатель у плоских пластин. В то время не существовало теоретического объяснения, почему кривые поверхности создают подъемную силу при положении в полете с нулевым углом. Позже мы увидим, как современная теория подъемной силы успешно объясняет этот факт. Однако удивительно найти относительно поздний (1910) следующий комментарий в известной книге Ричарда Ферриса Как он летает: «Последние исследования (он описывает конструкцию аэроплана Хенсона 1843 года) доказали, что верхняя поверхность аэроплана должна быть выпуклой, для того чтобы увеличить влияние подъемной силы. Это один из парадоксов летающих машин, которые никто не может объяснить».
Лилиенталь особо подчеркивал значение кривых поверхностей крыла. Он сделал много других интересных наблюдений в аэродинамике; например, установил, что естественный ветер более благоприятен для парящего полета, чем идеально равномерный воздушный поток. Этого благоприятного воздействия можно достичь, используя восходящие потоки, которые часто существуют в естественном ветре. Однако Лилиенталь обнаружил, что иногда подъемная сила при естественном ветре, даже в отсутствие восходящих потоков, может превосходить силу при равномерном воздушном потоке. Только недавно было признано, что этот эффект возникает благодаря градиенту поперечной скорости, который обычно преобладает при естественном ветре, по крайней мере в нижних слоях атмосферы.
Некоторые теоретические идеи братьев Лилиенталь, Отто и Густава (1849-1933) были довольно туманными. Они посвятили много времени изучению возможности создания отрицательного сопротивления, т. е. движению вперед с помощью особенной формы профиля крыла без обеспечения мощности. Через несколько лет после смерти своего брата Отто, погибшего в результате аварии в 1896 году, Густав Лилиенталь действительно опубликовал «теорию» этого явления, которая несомненно противоречит принципам механики. При упорном поиске научной истины в юношеские годы я однажды назвал его «незначительным братом великого человека», выражение, которое, я считаю, обидело его. Теперь я раскаиваюсь в этом, когда оглядываюсь назад на подростковый период в развитии аэродинамической науки.
В США выдающийся инженер-строитель из Чикаго Октав Шанют (1832-1910) выполнил огромное количество экспериментов по полетам
на планерах. Его внимание в основном привлекала проблема устойчивости. Интересно отметить, что за месяц до несчастного случая с Отто Лилиенталем он высказал мнение о небезопасности планера Лилиенталя .
Рис. 12. Модель самолета Альфонса Пено. (Из American Engineer and Railroad Journal, 66 (1892), 508.)
Кроме пилотируемых планеров летающие модели с двигателями или без них позволили получить важную аэродинамическую информацию. Модель, представленная Альфонсом Пено (1850-1880), является, по-видимому, первой моделью, где успешно обеспечена устойчивость с помощью горизонтальной хвостовой поверхности, расположенной сзади (рис. 12). Пено полагал, что пассажирский самолет с общим весом 2600 фунтов и двигателем от 20 до 30 лошадиных сил можно сконструировать в соответствии с его изобретениями. Его жизнь и работа являются трагической главой в истории аэронавтики. Он был парализован, поэтому свои исследования мог продолжить только дома; бедность, плохое здоровье и недостаток признания сломили его до такой степени, что в возрасте тридцати лет он покончил жизнь самоубийством.
Братья Райт, совершившие первый механический полет на пилотируемом самолете, и Самюэль П. Лэнгли (1834-1906), который близко подошел к подобному практическому результату, следовали направлениям, обозначенными нами в этом коротком очерке. Лэнгли особо подчеркивал аналогию с полетом птицы и полностью осознавал, что теория Ньютона о сопротивлении воздуха не может быть верной, если возможен полет человека на аппарате тяжелее воздуха. После полета модели
с механическим приводом, он пришел к решению построить пилотируемый аппарат. Ему повезло в том, что у него был помощник, обладающий гением в области механики, которому редко оказывали должные почести. Этим помощником был Чарльз М. Мэнли (1876-1927), выпускник Корнеллского университета, построивший бензиновый двигатель, достаточно мощный и легкий, чтобы служить этой цели.
Уилбер (1867-1912) и Орвилл (1871-1948) Райт не были профессиональными учеными. Однако они были знакомы с практическими идеями в области аэродинамики, разработанными до них различными исследователями, и, кроме замечательного таланта конструкторов, у них была возможность использовать эксперименты с моделями для своей натурной конструкции. Фактически для этой цели они использовали простую и малогабаритную аэродинамическую трубу. Более того, они выполнили почти тысячу полетов на планере.
Небезынтересно рассмотреть основные технические характеристики первого самолета братьев Райт в свете теоретических размышлений, приведенных выше. Масса брутто их самолета равнялась 750 фунтам, а крыло имело общую площадь 500 квадратных футов, поэтому нагрузка на крыло составляла 1,5 фунта на квадратный фут. Эта нагрузка на крыло немного больше, чем у грифа (рис. 10), и в семнадцать раз меньше, чем, например, у полностью загруженного Дугласа DC-3. Полезную располагаемую мощность на основе двигателя в 12 лошадиных сил с 66-процентным КПД воздушного винта, заявленную Орвиллем Райтом, можно оценить в 4300 футов-фунтов в секунду. Следовательно, располагаемая мощность на единицу веса равнялась 5,7 футам в секунду. В соответствии с формулой Ренара, значение мощности, потребной на единицу веса, составило бы 4,4 фута в секунду при указанной выше нагрузке на крыло. Интересно также отметить, что Ренар в статье, опубликованной в январе 1903 года , рассчитал, что двигатель пилотируемого летательного аппарата не должен быть тяжелее 17 фунтов на лошадиную силу. Двигатель, используемый братьями Райт, был 15 фунтов на лошадиную силу.
За год до первых успешных полетов братьев Райт немецкий прикладной математик Себастьян Финстервальдер (1862-1951) опубликовал отличный обзор состояния знаний в области аэродинамики в тот период времени . Эта статья содержит много интересных материалов и большое число ссылок на источники, касающиеся этой темы, которую я смог здесь лишь бегло затронуть.
Загрузка...