Бесплатный фрагмент - Полет птиц и насекомых без формул

«… Трудности носят не математический, а чисто физический характер. Дело состоит в неясности самой физической схемы, которой можно было бы стилизовать процесс, происходящий при взмахе крыла; и недостаток этой физической схемы не может быть заменён никакими… математическими средствами, как бы сложны они не были» Голубев В. В. Тяга машущего крыла. Доклад на сессии ОТН АН СССР, январь, 1946 г., «Известия АН СССР, ОТН», 5, 1946 г.

От автора

У вас в руках частное исследование, которое поможет вам не только понять «физическую схему», на которой основан полет живых организмов в воздухе, но и самим создавать аппараты, способные передвигаться по воде и в воздухе за счет движителей, предназначенных для отталкивания от воздуха, как это делают птицы и насекомые.

У Вас в руках вторая часть первой книги, посвященной полету птиц и насекомых, состоящей из двух частей.

В первой части, которую я назвал «Описание», описаны некоторые свойства семян растений, летающих насекомых (жуки, бабочки, стрекозы), рыб и рукокрылых. Первая часть без иллюстраций.

Вторая часть, названная «Наглядное приложение к первой части», имеет мало текста. В ней собраны рисунки, схемы, фотографии, дополняющие сухой текст первой части.

Первая часть книги «Полет птиц и насекомых без формул» выставляется мной бесплатно в интернет магазинах. Желающим приобрести бумажную версию, надо будет оплатить тираж и расходы на доставку.

Вторая часть книги, платная.

Следующая книга будет называется «Движительный элемент птичье перо», публикация которой запланирована на конец лета 2021 г. Четыре главы в ней посвящены птицам (перья, скелет, мускулатура, и др.). В последующих главах будет дано подробное описание различных конструкций движителя, на который подана заявка на изобретение.

Предисловие

Во многих случаях, для того, чтобы познать какое-то природное явление, люди пользуются законом подобия.

Закон подобия может быть сформулирован, примерно, так: «Что внутри — то снаружи. Что вверху — то внизу. Что в малом — то и в большом. Что вблизи — то и вдали. И так далее».

Все параллельные, вложенные, последовательные и т. д. миры могут быть познаны и осмыслены с помощью закона подобия. Закон подобия не подразумевает равенства, но обязательную схожесть некоторых параметров, критериев, явлений и прочих атрибутов двух подобных миров, явлений и других изучаемых наблюдателем объектов. Для наилучшего применения закона подобия следует использовать метод аналогий, который, по-видимому, является единственным средством, которое есть в нашем распоряжении.

Использование метода аналогий невозможно без применения полученных людьми знаний физического плана, которые мы называем научными.

Если говорить относительно атмосферы, которая является слоистой и состоит из величайшего количества молекул, то широкие слои атмосферы складываются из множества более узких, тончайших и подобных друг другу слоёв. И каждый из этих слоев, не взирая на его местоположение, будет иметь свои размеры: толщину и ширину, и др. В связи с тем, что все слои атмосферы накручены вокруг Земли, подобно тому, как нитка намотана на катушку, то, если не покидать данного слоя, можно пролететь вокруг Земли бесчисленное множество раз, практически не заметив при этом никакого снижения. Слой, намотанный на другие слои, всегда будет менее напряжен, чем нижний слой.

Классификация растительного и животного миров тоже произведена по законам подобия. Поэтому большие и тяжелые летающие птицы летают подобно малым и легким птицам, а большие и тяжелые животные передвигаются подобно малым и легким.

Если этот закон верен, то самое маленькое птичье перышко колибри будет подобно большому перу лебедя и окажется подобным всему крылу птицы.

Атмосфера Земли

Атмосфера Земли имеет слоистое строение. Слои атмосферы отличаются друг от друга температурой воздуха, его плотностью, количеством водяного пара в воздухе и другими свойствами. Говоря иначе, воздушный океан по своему строению напоминает дом. У него тоже есть свои «этажи».

Газообразная воздушная оболочка, окружающая весь земной шар, называется атмосферой (от греческих atmos-воздух и sphaira- шар). Атмосфера простирается до высоты свыше 1000 км. Ее обычно делят на тропосферу, непосредственно прилегающую к земной поверхности, стратосферу и ионосферу.

Воздух имеет массу и давит на поверхность земли с определенной силой. Давлением называется сила, приходящаяся на единицу поверхности. Эта сила обозначается буквой р.

В механике давление обычно измеряется в кгс/см2. Давление в 1 кгс на 1 см2 принято называть технической атмосферой. В аэродинамике давление измеряется в мм ртутного столба. Известно, что на уровне моря, при температуре плюс 15° С воздух давит на поверхность земли с силой 1 кгс на 1 см2. С такой же силой давит столб ртути высотой 760 мм. Такое давление принято считать нормальным.

В зависимости от температуры и влажности воздуха меняется его плотность, что, в свою очередь, вызывает изменение давления. С подъемом на высоту давление понижается в строго определенной закономерности. Это дает возможность заранее определить, каким оно будет на той или иной высоте.

Свойство давления изменяться в зависимости от высоты используется в анероидно-мембранных устройствах: высотомерах, приборах автоматического раскрытия парашюта.

С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным — около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

По мере подъёма на высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Но, начиная с высот 100—130 км знакомые каждому лётчику понятия числа М ' и звукового барьера теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полёта там ещё можно применить аэродинамическое крыло.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Между уровнем моря и высотой 5—6 км находится половина массы атмосферы, в слое до 16 км-90%, а в слое до 30 км — 99%. Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается. Поэтому 1 м3 воздуха на уровне моря весит 1033 г, на высоте 12 км — 319 г, а на высоте 40 км — всего 4 г.

У поверхности Земли на 1 см2 площади атмосфера давит с силой, равной 1033 г, а на 1 м2 — уже 10333 кг. Таким образом, тело взрослого человека испытывает тяжесть, равную 12—15 тыс. кг, или 12—15 т, а ладонь его руки — 150 кг. Однако этой тяжести человек не ощущает, так как внешнее давление уравновешивается давлением внутри тела. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению, поэтому при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается не только из-за недостатка кислорода, но и из-за низкого давления.

Расстояние, на которое нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 миллибар (миллибар (мб) — единица измерения давления), называется барометрической ступенью. В приземном слое она равна 8 м. Это значит, что на каждые 8 м поднятия давление понижается на 1 мб. В слое 4—6 км барометрическая ступень равна 13 м, а в слое 12—16 км она равна 40 м. Величина барометрической ступени зависит еще и от температуры воздуха.

Из выше описанного ясно, что нижние слои воздуха сжаты наиболее сильно и обладают большей потенциальной энергией. Миллионы лет слои атмосферы плавно наматывались на Землю и каждый слой укладывался в строгой последовательности и закономерности. При этом каждый слой имеет свою массу. Этой массой он давит на более нижние слои, вызывая в них процесс сжатия. Сжатие между молекулами воздуха приводит к накоплению энергии в слое, которая всегда готова вырваться наружу при любом удобном случае.

Каждый слой воздуха, в том числе и такой тонкий, как молекулярный, имеет свою толщину и свои границы, а также силы поверхностного натяжения, внутреннего напряжения, и т.д., но давление в слое будет тем ниже, чем выше находится слой в «бутерброде», который называется атмосферой.

Твердость слоя, наоборот, будет более выше у более нижнего слоя. Поэтому любое тело, находящееся в атмосфере, воспринимает своими частями разные внешние давления воздуха.

На рисунке (Рис.1) давление над пластиной меньше, чем под пластиной.

Любое вещество — твердое, жидкое или газообразное — состоит из миллионов и миллионов крошечных молекул, расположенных, казалось бы, вплотную друг к другу. В действительности, однако, расстояния между молекулами не так уж малы по сравнению с их размерами, и молекулы удерживаются на этих расстояниях друг от друга благодаря действию сил, которое можно сравнить с действием пружин.

Молекулы нечувствительны к тому, какие именно другие молекулы становятся их соседями, но сильно реагируют на степень их близости.

Из сказанного становится ясно, каким образом твердые тела, жидкости и газы проявляют упругость при приложении напряжения — молекулы либо теснее сдвигаются, либо расходятся, а их пружиноподобные связи сжимаются или растягиваются. Как только напряжение снимается, «пружины» вернут молекулы в исходное положение равновесия. О молекулах газа правильнее сказать, что «пружины» не отталкивают их в прежнее положение, а раздвигают друг от друга на прежнее расстояние.

Молекулы воздуха, удерживаемые на некотором расстоянии друг от друга силами упругого типа, — это мельчайшие частицы вещества, и, следовательно, они обладают массой. Каждая молекула все-таки кое-что весит, а поскольку она обладает массой, она проявляет инерционные свойства.

Припомним первый закон Ньютона:

Каждое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешняя сила не выведет его из этого состояния.

СИЛА — в механике — мера механического действия на данное материальное тело со стороны других тел. Это действие вызывает изменение скоростей точек тела или его деформацию, и может иметь место, как при непосредственном контакте (давлении прижатых друг к другу тел), так и через посредство создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле). Сила — величина векторная и в каждый момент времени характеризуется численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения.

Например, как бы хорошо ни были смазаны петли тяжелой двери, чтобы закрыть ее, обязательно надо приложить усилие, потому что из-за своей массы она сопротивляется и не приходит сразу в движение. Когда же она придет в движение, понадобится почти такое же усилие, чтобы ее остановить.

Подобным образом, но в малом масштабе, сопротивляются изменению движения молекулы воздуха, ближайшие к поверхности слоя. Когда слой двигается, инерция не позволяет этим молекулам мгновенно прийти в движение, поэтому «пружины», отделяющие их от поверхности тела, сожмутся.

Потенциальная энергия, сообщенная телом этим «пружинам», заставит молекулы двигаться вперед. Молекулы, обладающие массой, придя в движение, приобретут кинетическую энергию; потенциальная энергия «пружин» превратится в кинетическую энергию молекул. Затем этот процесс повторится, молекулы первого слоя начнут толкать молекулы следующего слоя. Те, вследствие инерции, сопротивляются и приходят в движение только после того, как сожмутся «пружины», действующие между молекулами первого и второго слоев. Аналогичное явление (в гораздо более крупном масштабе) наблюдается, когда тепловоз толкает состав железнодорожных вагонов. Вследствие инерции первого вагона, и в меньшей мере трения, пружины его буферов сожмутся, и только после того, как они запасут достаточную потенциальную энергию, первый вагон начнет катиться по рельсам. При этом, он сожмет пружины буферов между первым и вторым вагонами и т. д.; в результате пройдет заметное время, прежде чем покатится также и последний вагон. Теперь легко понять, почему при быстром движении тела на небольшое расстояние весь воздушный столб в целом не приходит в движение мгновенно. Ведь каждому молекулярному слою нужно время, чтобы сдвинуть с места следующий слой.

Потребуется целая секунда для того, чтобы на протяжении 344 м воздух продвинулся вдоль трубы на расстояние, пройденное поршнем. Если бы молекулы были тяжелее или молекулярные силы слабее, времени понадобилось бы больше. Расстояние в 344 м относится к температуре в 20 °С, при 0 °С оно уменьшится до 332 м (с точностью до одного метра). Такое сокращение расстояния обусловлено тем, что при охлаждении молекулы сближаются, и, если бы мы могли подсчитать число слоев молекул воздуха в столбе длиной 344 м при 20 °С, оно равнялось бы числу слоев в столбе воздуха длиной 332 м при 0 °С

Все эти рассуждения вполне применимы и при движении тела назад. В этом случае оно не сжимает «пружины», а растягивает их до тех пор, пока ближайший к нему молекулярный слой не начнет также двигаться назад. Молекулы первого слоя, кинетическая энергия которых обусловлена этим движением, в свою очередь, растянут «пружины», связывающие их со следующим слоем, и т. д. В результате, после того, как тело сдвинулось сначала вперед, а потом назад, все молекулы вернутся на свои исходные места; при этом они передадут «толчок», не получив в итоге никакого остаточного перемещения.

Если к пластине (Рис.1) плавно приложить некоторую силу, направленную горизонтально, и посмотреть на то, в каком направлении двинется слой воздуха, находящийся в торцевой части пластины, то мы увидим, что он начнёт сжиматься, а затем будет пытаться перетечь через пластину. Но в какую сторону он будет это делать? В какую сторону ему легче всего двигаться? Понятно, что первой попыткой будет попытка обтекания внутри своего слоя, не выходя за отведенные этому слою границы. Если толщина пластины и её скорость перемещения позволяют совершить это обтекание, то пластина при движении будет удерживаться верхним и нижним слоями на этом месте, не опускаясь вниз и не поднимаясь наверх.

Если увеличить скорость пластины, при которой лобовой слой не успевает перетечь через пластину только в горизонтальной плоскости, не выходя за вертикальные границы пластины, то сжимаемый воздух будет искать выход, стараясь направиться туда, где сопротивление будет меньшим. В этом случае, всё будет зависеть от формы торца пластины и от направления вектора силы, приложенной к пластине (Рис.2).

Сам собой напрашивается вопрос о том, в какую сторону направится воздух, сжатый пластиной? Вверх или вниз (Рис.2)? Какие условия, и какие аргументы перевесят в пользу той или другой стороны?

Настало время поговорить о весах. Точнее о рычажных весах, ибо с какой стороны центра опоры весов давление больше, туда и клонится стрелка (Рис.3).

Если плечи весов имеют равные значения и силы, приложенные на эти плечи, тоже равны, то весы считаются уравновешенными. (Рис.3)

Если вместо груза направить на пластину равномерный поток воздуха, то при равных плечах пластина будет находиться в равновесии. (Рис.4)

Если при равных нагрузках на плечи изменить величины плеч (перенести центр опоры), то пластина отклонится в сторону большего плеча, ибо получится рычаг. (Рис.5)

Если величины (длина и вес) плеч весов не изменять, а изменить угол по отношению ко второму плечу (Рис. 6), то весы отклонятся в сторону большего угла. Отклоняться плечо будет до тех пор, пока все величины станут равными. (Рис.7)

Если вес каждого плеча весов не изменять, а изменить длину, то под воздействием воздуха плечи весов примут положение, при котором проекции плеч на горизонтальную поверхность будут равными (Рис.8а-б). Но из-за увеличения площади одного из плеч, появляется избыточное давление, перпендикулярное потоку воздуха.

Вернёмся теперь к нашей пластине и, глядя на профиль её торца, определим направление, по которому будет двигаться пластина.

Для этого сделаем проекцию всех граней торца пластины. (Рис.9)

Вверху пластины имеется дополнительная площадь, наклоненная под некоторым углом к потоку. На этом участке появляется дополнительное сопротивление (сила реакции), стремящееся повернуть пластину относительно её геометрического центра.

Даже незначительное смещение пластины, которая имеет прямоугольную форму, приводит к тому, что сжатому воздуху открывается путь для его движения. И в первоначально узкую щель между верхним слоем воздуха и пластиной, с большой скоростью устремляется сжатый воздух. От этого движения воздуха появляется сила реакции, которая действует на наклоненную поверхность пластины и с ещё большей силой направляет её вниз.

Итак, пластина с силой была направлена вниз. Это произошло из-за того, что у пластины верхняя грань была несколько срезана. Этот срез увеличил площадь поверхности торца пластины и направил поток по касательной, порождая подъемную силу.

Нижняя, острая грань пластины, при резком движении вниз с силой вошла в более плотный слой и разорвала его пограничный слой, оба конца которого молниеносно стали закручиваться в спираль. Закручиваясь, спираль становится всё «толще и толще», так как захватывает внутрь себя разорванные части более верхних слоёв.

Спираль увеличивается в размерах. Естественно, увеличивается и давление внутри спирали. Спираль достигает конца пластины, упирается в неподвижную область атмосферы, находящуюся за пластиной, и, под действием повышенного внутреннего давления, раскручиваясь в обратном направлении, с силой реакции воздействует на пластину, поднимая её конец вверх. (Рис.11).

Становится понятно, если такой срез находился бы на нижней части торца пластины, то пластина направилась бы не вниз, а вверх.

В данном примере пластина находилась параллельно слоям атмосферы и, в общем-то, напоминала судно, помещённое в воду, где в нижней части давление (сила выталкивания) выше, чем на поверхности.

Для того, чтобы исключить воздействие сил с торцов, направим пластину другого профиля перпендикулярно воздушному слою (Рис.12).

Из аэро- и гидродинамики известно, чем больше площадь тела, тем выше его лобовое сопротивление. Известно также, что любой угол (> 0), образованный между телом и потоком жидкости или газа, порождает появление силы реакции, и тем самым производит отклонение тела в ту или другую сторону, вверх или вниз, относительно геометрического центра фигуры.

На рисунке (Рис.12) видно, что симметрично расположены величины плеч, а так же площади поверхностей, только у овала. Из этого можно сделать вывод: при отсутствии других внешних сил, тело будет двигаться вертикально вниз, не отклоняясь в сторону. У параллелограмма, хотя величины плеч равные, но имеется грань с дополнительной поверхностью, на которую будет воздействовать сила реакции воздуха. Поверхность находится под некоторым углом к воздуху, поэтому создаётся «встречная» сила, которая будет отклонять тело влево.

У полумесяца с левой стороны находится большая по величине поверхность, на которую воздействует поток. Площадь поверхности так же находится под углом к потоку, поэтому «встречная» сила направит полумесяц вправо.

А теперь рассмотрим некоторые профили, которые наиболее близки нам по теме данной работы. Это, конечно, профили, похожие на профили крыльев птиц и самолётов.

Для начала возьмём несколько профилей крыла самолёта и направим их вертикально вниз. При этом будем считать, что центр тяжести крыла находится непосредственно в точке первого касания крыла со слоем воздуха.

Профиль крыла самолёта. Стрелкой показано направление полёта.

Типы профилей крыла:

— вогнуто-выпуклое,

— Двояковыпуклое несимметричное,

— Двояковыпуклое симметричное,

— S-образный

— Чечевицеобразный

— Ромбический,

— Клиновидный

На рисунке (Рис. 13б) пунктирной линией показан условный центр весов, являющийся самой первой точкой поверхности, на которую воздействует слой воздуха.

— У вогнуто-выпуклого профиля плечи примерно равны, но у правого плеча большая площадь поверхности, поэтому крыло будет смещаться влево.

— У плоско-выпуклого профиля правое плечо практически отсутствует, поэтому данное крыло беспрепятственно будет смещаться вправо.

— Плоско-выпуклое почти беспрепятственно будет смещаться влево.

— Двояко-выпуклое, несимметричное, будет иметь устойчивое отклонение влево.

— S-образный профиль будет смещаться вправо.

— Чечевицеобразный профиль справа имеет значительно большую площадь, поэтому отклоняться будет влево.

— Ромбический профиль при отсутствии внешних сил не будет отклоняться от вертикали.

— Данный клиновидный профиль трудно определить визуально. Нужно сделать замеры площадей и произвести математические расчеты, чтобы с уверенностью указать направление, в которое будет смещаться крыло.

Профили крыльев птиц

1. Болотная чайка

2. Альбатрос

3. Альбатрос

4. Обыкновенная чайка

5. Куропатка

6. Башенный стриж

Профили крыльев птиц даны без учета нагрузки на крыло и с сохранением упругости оперения. При таком расположении крыльев видно, что они беспрепятственно будут отклоняться вправо, за исключением Башенного Стрижа (6), у которого профиль будет медленно, но устойчиво отклоняться влево.

Из анатомии птиц известно, что крылья птиц без оперения имеют толщину, значительно превышающую толщину перьев, которыми покрыто крыло. Поэтому более точный профиль крыла птицы будет таким, как на рисунке (Рис.15).

Начало крыла имеет значительное утолщение, сверху ограничено пером. Центр тяжести крыла находится довольно-таки близко к его переднему краю, но из-за веса оперения отдалён к краю плечевых суставов птицы. В первую очередь рассмотрим движение крыла вниз без учета его центра тяжести и прилагаемой на крыло силы веса самой птицы.

На рисунке (Рис.15) видно, что профиль 1, имея овальную форму, будет опускаться, не отклоняясь.

Профиль 2, у которого левое плечо больше, чем правое, и левая площадь поверхности значительно больше, чем правая, будет устойчиво отклоняться вправо.

Профиль 3 имеет вид рычага, так как правое плечо значительно длиннее левого. Это плечо будет затормаживать движение, поворачивая профиль относительно условного центра. А из-за того, что справа от центра имеется площадь поверхности, находящаяся под острым углом к воздушному потоку, профиль будет смещаться влево.

Если подставить центр тяжести в каждый профиль, то направление движения будет несколько иным (Рис.16)

Профиль (1) будет опрокидываться и со временем примет положение профиля (2). Профиль (2) тоже при движении вниз будет иметь вращение, и со временем примет положение профиля (1). профиль (3), двигаясь и сохраняя равновесие, не перевернётся. Но, если будет нарушено равновесие, то профиль (3) примет положение, аналогичное положению профиля (2).

Все примеры, приведенные в первой главе, происходили при идеальных условиях атмосферы, при которых слои атмосферы находились в состоянии покоя, а двигались профили.

Единственной силой, которая действовала на профиль, была так называемая сила земного притяжения. Сила эта хороша тем, что имеет неизменное направление и одинаковую скорость для любых тел.

Эта сила хороша ещё тем, что даёт возможность птицам вернуться на землю, или наоборот, ограничивает их в том, чтобы они слишком высоко не залетали.

Все птицы имеют подобный скелет, примерно одинаковое количество мышц и сухожилий. Разнятся они лишь в размерах, массах, размахах крыльев, весу мышечной массы, форме и профилю крыльев.

Самая доступная для рассмотрения из всех птиц — это курица. Курицу трудно назвать летающей птицей, так как она не совершает длительных полётов, но всё-таки она в состоянии пролететь некоторое расстояние и взлететь на высоту, в несколько раз превышающую её собственный рост. Эта птица не зря имеет «важный» вид, ибо имеет большую мышечную массу, хорошо выраженные мышцы…

Но прежде, чем перейти к птицам, рассмотрим вначале пассивные виды полета и полет менее совершенных организмов.

Парашютик одуванчика

Семя одуванчика имеет вертикальный стержень, наверху которого под почти прямым углом к стержню, расположено множество маленьких, но крепких веточек, на которых тоже расположено множество волосков или крючочков (Рис. 1—1а).

Стержень, на котором находится парашютик, выходит из семени под некоторым углом к нему и/или имеет изгиб (Рис. 2). Таким образом, при падении семени создается дополнительная площадь лобового сопротивления, которая является причиной горизонтального смещения семени, а, значит, и парашютика в целом.