Как благодаря воздуху летают птицы? Как объяснить детям, почему летают птицы.
Как благодаря воздуху летают птицы, Вы узнаете из этой статьи.
Как благодаря воздуху летают птицы?
На сегодняшний день насчитывается около 9800 видов птиц. И только единицы не покорили воздушные просторы. Матушка-природа сделала так, чтобы воздух в содействии со строением тела птицы помогал им взлетать в небо. Как это действует, мы сейчас рассмотрим.
Практически у всех видов птиц есть крылья. Само по себе крыло в нижней части имеет вогнутую поверхность, которая создает противодействие силе тяжести. Поток воздуха, окружая крыло, проходит сначала длинный путь по верхней его части, а потом более короткий по нижней части с разной скоростью. Это создает давление и силу, направляющею птицу вверх. Данная сила обтекающего воздуха оказывает то самое противодействие к силе тяжести.
Перья на теле птиц способствуют тому, что его поверхность становится гладкой. Поэтому воздух с легкостью обтекает тело во время полета. Тендем перьев и воздуха помогает птицам регулировать и изменять направления полетов. Также потоки обтекающего воздуха защищаю от ветра, перегрева, сырости и холода.
Кроме того, птица летает и благодаря специфическому строению скелета. Прочно сросшиеся друг с другом кости делают его более жестким. Когда животное делает глоток воздуха, он моментально поступает через бронхиолы в легкие, а после в воздушные мешки. Выдыхая его, осуществляется повторный газообмен в организме. Еще один важный момент – в полете организм птицы снабжается двойным дыханием. А происходит это благодаря большому количеству кислорода в крови, который попадает в процессе газообмена.
На этот вопрос можно корректно ответить по крайней мере с трех разных позиций. Эти ответы будут дополнять друг друга и потому в равной степени важны. Во-первых, каков механизм этого явления? Во-вторых, зачем птицы это делают - в чем значение (функция) этого поведения? И, наконец, как вообще произошло так, что птицы куда-то улетают, а потом возвращаются (то есть каково происхождение и эволюция этого явления)? Ниже вкратце рассмотрим эти три аспекта.
Как?
Если содержать перелетных птиц в неволе, то в период обычных сезонных миграций они испытывают беспокойство. Такое состояние было названо миграционным. В это время, например, можно наблюдать нетипичную активность по ночам. А связано это с тем, что мелкие птицы летят в основном ночью. То есть они как бы пытаются реализовать свою тягу мигрировать даже в том случае, если им (в неволе) этого сделать не дают.
Более того, птицы стараются ориентироваться в ту сторону, куда они в норме должны лететь. Эта особенность широко используется при изучении ориентации птиц с помощью так называемых круглых клеток , или клеток Крамера , названных в честь немецкого орнитолога Густава Крамера (Gustav Kramer). В таких клетках (круглой формы) по периметру расположены жердочки, а одна жердочка находится в центре клетки. При прыжках птице удобнее прыгать с центральной жердочки на одну из периферийных. По тому, куда ориентирована (по сторонам света) наиболее часто посещаемая периферийная жердочка определяют, в какую сторону птица «хочет» мигрировать.
Итак, желание мигрировать на юг (осенью) или возвращаться домой (весной) проявляется у птиц даже тогда, когда им не дают это сделать. То есть миграционное состояние, по сути дела, явление инстинктивное. Запускается оно у наших птиц главным образом соотношением между темным и светлым временем суток (так называемым фотопериодом). Определенное значение этого параметра является своеобразным триггером миграций. Это показано, в том числе, экспериментально.
Зачем?
Теперь посмотрим, зачем птицам надо возвращаться домой. В чем смысл (функция) этого? Как это помогает им выживать? Ведь чтобы сформировался инстинкт, о котором шла речь в предыдущем подразделе, он должен иметь какую-то ценность - иначе он бы просто не возник.
В жизни птиц можно выделить несколько периодов. Они повторяются каждый год, поэтому обычно говорят о годовом цикле. В типичном случае годовой цикл выглядит так: гнездование, линька, осенняя миграция, зимовка, весенняя миграция, снова гнездование и далее «по списку». Все названные периоды важны, но особое значение имеет гнездовой. В это время птицы выводят потомство, от них требуется масса дополнительных затрат - как времени, так и энергии. Поэтому успешно размножаются лишь те особи, которые делают это в благоприятных для них местах, к которым они лучше всего приспособлены.
Почему же наши птицы обычно не гнездятся, например, в тропиках? Здесь две главных причины. Во-первых, они недостаточно хорошо приспособлены к тамошним условиям. То есть они могут жить там, добывать себе пищу, даже петь, но на большее их не хватает. Трудно найти подходящее место для гнезда, трудно выкормить птенцов и т. п. А во-вторых, в тропиках масса местных оседлых видов, которые «переигрывают» мигрантов в конкурентной борьбе - как в прямой (например, за гнездовые убежища), так и в косвенной (за пищу).
Но бывает и так, что наши северные птицы и где-то далеко на юге находят подходящие для себя условиях и остаются там гнездиться. В некоторых случаях это может даже со временем привести к появлению новых форм. Хороший пример - утка-кряква (Anas platyrchynchus , рис. 1), обычная в средней полосе России, и в том числе в черте Москвы. А кроме этого, она гнездится по всей Северной Америке и Евразии, от тундр до субтропиков. Так что этот вид очень пластичен. Поэтому, быть может, и не удивительно, что некоторые популяции, попав в ходе миграций на тропические острова, остались там жить и стали оседлыми.
Сейчас такие формы считают даже отдельными (но близкими) видами. Это гавайская кряква Anas (platyrhynchus ) wyvilliana и лайсанский чирок Anas (platyrhynchus ) laysanensis , оба вида - с Гавайских островов (рис. 2).
Бывают и еще более интересные исключения. Одно из них - черный шелковистый свиристель (Phainopepla nitens , рис. 3), обитающий в Северной Америке. Эта птица умудряется гнездиться дважды в году. Весной она выводит птенцов в штате Калифорния. А к осени мигрирует в штат Колорадо. Здесь она гнездится еще раз. Такое гнездование в двух разных местах - уникальный случай у птиц. Так что, как это вообще характерно для зоологии, имеются лишь общие тенденции или правила с множеством разных исключений.
Наконец, надо коротко рассказать, зачем птицы вообще улетают зимой в теплые края. Главнейшая причина - нехватка пищи. Поэтому в первую очередь улетают те виды птиц, которые питаются открыто живущими насекомыми. Зимой такую пищу, конечно же, не найти. Так что они мигрируют, можно сказать, вынужденно. Те же виды, которые могут найти себе корм и зимой, остаются в наших краях. Это, например, синицы, ловко выискивающие спящих насекомых в различных щелях и разнообразящие свой рацион семенами. Или большой пестрый дятел (Dendrocopos major ), питающийся зимой семенами ели и сосны.
Почему?
Но почему птицы, которые гнездятся в северных широтах, а зимуют в тропических, делают именно так, а не иначе. Почему бы им, например, не гнездиться зимой в тропиках, а летом не отправляться отдыхать на север? Для ответа на это необходимо рассмотреть также эволюционный аспект. А именно - историю расселения видов.
Дело в том, что многие виды наших птиц имеют южное происхождение. Все они - выходцы из Африки или Южной Азии. В ходе своей эволюционной истории они постепенно расселялись из этих областей. Формировались новые популяции и виды, адаптирующиеся к новым, более северным, условиям. Столкнувшись в новых условиях с неблагоприятной обстановкой зимой, эти птицы вынуждены были мигрировать на юг. И путь этот пролегал в те районы, откуда эти виды изначально произошли. Своего рода историческая память. Поэтому существует известная аналогия, что путь миграции в общих чертах повторяет путь расселения вида. Конечно, не стоит точно связывать район зимовок и район, откуда началось расселение. Соответствие здесь есть, но оно примерное. Так, если вид зимует в тропической Азии, можно говорить о его азиатском происхождении, но вовсе не обязательно тропическом.
Районы зимовок могут оставаться консервативными, даже если это и не очень удобно. Такова, например, ситуация с овсянкой-дубровником (Emberiza aureola ) - азиатским видом, недавно расселившимся в Европу, вплоть до Прибалтики. Конечно, европейским птицам короче было бы летать на зимовку в Африку, тем не менее они «по старинке» летают в юго-восточную Азию - как и птицы из Сибири и Дальнего Востока (рис. 4).
Дубровник лишь недавно стал гнездиться в Европе. Но большинство других видов, более давних выходцев из Азии, со временем поменяли места зимовок. Европейские популяции стали проводить зиму в Африке - что, очевидно, и ближе, и удобнее.
Таким образом, история вида также важна для понимания того, как он ведет себя сейчас. Но ни один из трех аспектов (механизм, функция, эволюция), взятый в отдельности, не может ответить на поставленный вопрос. И лишь в совокупности они рисуют цельную картину того, зачем и почему птицы возвращаются весной назад.
Ответил: Алексей Опаев
Почему и как летают ? Почему одни могут парить, а другие нет? Почему стая птиц может мгновенно и одновременно изменить направление полета? Человечество издавна задумывается над вопросами, касающимися полетов птиц, насекомых. На многие из них биологи могли бы дать ответ уже сегодня, если бы не одно обстоятельство - если бы воздух не был прозрачным. До сих пор при съемке полета птиц даже высокоскоростной камерой чрезвычайно трудно проследить совершенство полета с точки зрения законов аэродинамики.
Что только не придумывали для облегчения поисков ответа на возникающие вопросы! Так, американский исследователь из Южнокалифорнийского университета Джефф Спеддинг стал использовать при съемках полетов птиц мыльные пузыри, заполненные . Если такой пузырь достаточно мал, например, с булавочную головку, находящийся внутри газ заставляет его стремиться вверх. Этими пузырьками можно заполнить относительно большие емкости. В начале восьмидесятых годов Спеддинг изучал полет . Он заставлял их пролетать сквозь облако таких пузырьков, созданное в большом просторном помещении, а затем высокоскоростной камерой фотографировал оставленный ими в этом облаке след полета.
Съемка показала, что при пролете голубей воздух закручивается совсем не так, как это должно быть согласно теории аэродинамики. При съемке можно было бы использовать и дым, но пузырьки с гелием оказались лучше; за ними было легче следить. Благодаря этому Джефф Спеддинг сумел довольно точно описать, как движется крыло голубя.
Чтобы проанализировать полет птиц, исследователи по традиции полагаются на теоретические законы аэродинамики, выведенные для летательных аппаратов с неподвижным крылом. Но оказалось, что при перенесении их на действия живых существ они уже не верны. Птицы и более сложны, и более совершенны, чем любые из современных летательных аппаратов. Рассматривая птицу как модель , ученые исследуют ее в аэродинамической трубе. Создают они и особые роботы-крылья. И все это делается с целью определить, что же делает птица, когда летит, и произвести соответствующие измерения. Зачем это нужно? Чтобы помочь человеку улучшить конструкции проектируемых им летательных аппаратов и в первую очередь военных самолетов с высокой маневренностью.
Полет птиц за счет мускульной энергии - это чудо, которому люди не перестают удивляться и сегодня. Ведь чтобы поднять в воздух человека с помощью мускулов, нужны крылья размером 42,7 метра. А его грудная клетка должна иметь толщину 1,8 метра, чтобы вместить мускулы, достаточно мощные для производства взмахов.
Птицы, как, впрочем, и летательные аппараты, должны быть легкими, но мощными. Сегодня птицы могут летать, поскольку в процессе их внутренние органы и кости стали намного легче, чем у их предков рептилий. Пример ультралегкой конструкции являет собой океаническая птица фрегат: при размахе крыльев более двух метров его скелет весит менее ста двадцати граммов - вдвое меньше общего веса перьев.
Кстати, летучие мыши - превосходные летуны - также получили в результате эволюции суперлегкие кости. Потому они и висят, отдыхая, вниз головой, просто не могут встать на ноги. Их кости слишком тонки, чтобы выдержать нагрузку тела в стоячем положении. А черепа птиц вообще напоминают скорее яичную скорлупу, чем бронезащиту. Крылья же птиц, состоящие в основном из перьев, являют собой прямо-таки шедевр инженерного искусства природы: легкие и гибкие, но почти не поддающиеся разрушению.
Подъемная сила птицы создается за счет того, что воздух равномерно обтекает изогнутую поверхность крыла. А поступательное движение - за счет взмахов. Они-то и ставят в тупик многочисленных исследователей полета. Крыло - это не просто весло, которым птица «гребет» в воздухе, как полагал Леонардо да Винчи. Некоторые исследователи считают, что птица осуществляет повороты, вывернув внутреннюю часть крыла так, чтобы создать сопротивление на той стороне, куда она поворачивает, подобно действиям с портом сна на каноэ.
Сопротивление воздуха замедляет полет, а ведь от его скорости зависит иногда жизнь или смерть птицы. Американский биолог и летчик Кен Дайал обнаружил, что птицы часто осуществляют поворот за счет наклона крыла вниз, наподобие того, как отклоняются элероны у самолета. Используя рентгеновский аппарат, Дайал провел наблюдения за полетами птиц в аэродинамической трубе, благодаря чему увидел движение скелета во время полета, а также во время вдохов и выдохов птицы.
Совершая различные маневры, птицы должны координировать множество точных движений, начиная от изгибов и полного поворота крыла до изменения амплитуды взмахов. В полете им помогает центральная нервная система, управляющая . Но во многом птицы все же похожи на самый современный истребитель, обладающий высокой маневренностью и управляющийся компьютерной системой, позволяющей производить корректировку на большой высоте за доли секунд. Конечно, у птиц нет компьютера, зато есть крупный мозжечок, а, как известно, именно он участвует в координации движений животных.
Немало известно о полетах птиц и шведскому зоологу и ветеринару Ричарду Брауну. Если к крыше кабины планера прикрепить короткие нити, то при нормальном планировании они спокойно «летят» назад, но как только планер станет терять скорость, воздушные вихри поднимут нити вверх и даже могут направить их вперед - своего рода предупреждение об опасности. Точно так же, считает Браун, тысячи перьев, покрывающих крылья и тело птицы, могут работать как датчики воздушных потоков. Благодаря нервным окончаниям, птица сразу же чувствует движение перьев. Мускулы, на которых расположены перья, в основном действуют как пассивные датчики информации для нервной системы и в меньшей степени как движители. Чувствительные элементы на крыльях и определяют начало турбулентности (вихревого движения при активном перемешивании слоев воздуха) в обтекающем потоке, заставляя птицу изменить темп движения крыльев или несколько опустить их вниз.
Очень важны для птиц и акробатические способности. Ласточки, например, проводящие в воздухе до восьми часов в день, то и дело взмывают высоко в небо и бросаются вниз в погоне за насекомыми. А вот малиновки находятся днем в воздухе всего лишь несколько минут, совершая короткие перелеты, длящиеся обычно несколько секунд. Большая часть их полетов приходится на взлеты и посадки - самые утомительные моменты любого полета. Поэтому многие крупные птицы стараются делать их как можно реже. Грифы, соколы, альбатросы и другие крупные птицы почти все время проводят в парящем полете на воздушных течениях с распростертыми и почти неподвижными крыльями.
Для большей эффективности полета птицы искусно используют характерные особенности своих перьев. Например, грифы, совершая медленный полет по кругу, чтобы не потерять высоту, выпрямляют длинные, жесткие перья на концах крыльев и разворачивают их веером так, чтобы между ними образовались щели, препятствующие перемешиванию воздуха в потоке за птицей. В результате сопротивление снижается, а подъемная сила возрастает.
Сокол же, наоборот, пикируя на добычу, укладывает свои перья так, чтобы сократить площадь их поверхности. Ему нужна скорость, а не подъемная сила. Построить диаграмму полета птицы, пикирующей со скоростью 320 километров в час, непросто, и обычно скорость пикирования определяется приблизительно. Но специалисты надеются, что однажды им удастся вывести формулу построения диаграммы полета, применяемую к птицам любых размеров и форм.
А как летают насекомые? Мелкие осы и жуки, например, как бы гребут крыльями по воздуху, сопротивление которого им только помогает. Они ощущают воздух как что-то вязкое, наподобие сиропа. Им не нужна большая подъемная сила, и если они вдруг прекратили бы свое движение, то стали падать на землю не быстрее, чем комок пыли. Они «плывут» по воздуху, используя свои крылья, покрытые ворсинками, для создания большего сопротивления. При обратном движении крыла ворсинки моментально складываются. Происходит нечто подобное тому, как снижается сопротивление у весла, вынимаемого из воды. Кстати, крупным насекомым летать труднее.
Английский зоолог Чарлз Эллингтон из Кембриджского университета, интересующийся шмелями, в одной из своих работ писал, что по законам аэродинамики шмели летать не должны. Но они летают! Крылья шмелей и других крупных насекомых создают подъемную силу гораздо большую, чем определяет теория аэродинамики. Как это им удается? Теперь, кажется, ответ на этот вопрос получен. Это произошло при изучении полета крупных флоридских бражников (ночных бабочек), имеющих размах крыльев более десяти сантиметров. Когда такой бражник пролетает сквозь дым, который, кстати сказать, его совсем не беспокоит, можно видеть, как воздух вихрями закручивается от его тела к концам крыльев вместо того, чтобы согласно теории аэродинамики плавно обтекать крылья по направлению от их передней кромки к задней. Была построена большая механическая модель бражника (из ткани и меди) с двигающимися крыльями. И робот-бражник тоже создавал вихри, направленные в разные стороны.
Сегодня биологи уже вплотную приблизились к решению загадок: как насекомые и мелкие птицы создают такую большую подъемную силу при малом запасе энергии, как и почему они летают.
Человек всегда завидовал птицам. Как же, ведь они летают, а он не может! Двигатель развития летательного аппарата птиц - добывание пищи. Ну, а как же нелетающие птицы, например, страусы? Эти - исключение из правил. У людей вопрос с решен давно, и теперь, приблизившись к разгадке полета, узнав, насколько нелегко он дается птицам, может быть, не стоит им завидовать?
P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что исследования механики полета птиц могут быть очень перспективными в том числе и с коммерческой точки зрения. Ведь если какому-нибудь ученому вдруг удастся разгадать тайну птичьего полета и чего доброго смастерить настоящие крылья, как мифический Дедал смастерил их для себя и своего сына Икара, думаю, такой ученый вмиг стал бы миллионером. Позже появились бы книги об истории его успеха, а еще позже книги по бизнесу (как на сайте /biznes_literatura/buhgalterija__nalogi__audit/) о роли инноваций в бизнес планировании и крылья из средства безграничного полета превратились бы в бухгалтерскую категорию.
Когда я вижу птиц, парящих в небе, всегда поражаюсь: «Как им удается удерживаться в воздухе?». Ведь известно, что существует сила гравитации, которая, по идее, должна тянуть их вниз. Тогда в чем же их особенность?
Что дает птицам возможность летать
Полет - сложный процесс. Безусловно, главным его механизмом являются крылья. Они устроены у птиц так, что способны создавать подъемную силу, которая, в свою очередь, противостоит силе тяготения. Эта сила возникает при ударе ветра в крыло. Но что делают птицы, если ветра нет?
Они активно машут крыльями, тем самым создавая поток воздуха, который и поднимает их над землей. Это самый важный этап взлёта, благодаря которому, улетев ввысь, птица может парить, не совершая движения крыльев.
Конечно, кроме крыльев роль играет и мускулатура, и скелет, и внутренние органы. Чтобы птице было проще подниматься в воздух, она должна быть максимально легкой. По этой причине её кости заполнены воздухом. Также короткий кишечник способствует быстрому выведению пищи, что облегчает вес птицы.
Почему птицы летают клином
Если о причинах летного процесса ещё хоть как-то можно догадаться, то как объяснить, почему большинство крупных птиц летают клином? Поразительно, как синхронно и слаженно они это делают.
Как оказалось, они выбирают такое построение для того, чтобы сэкономить энергию. Первая птица задает поток воздуха, а последующие, грубо говоря, пользуются этим - подхватывают этот поток и благодаря синхронным движениям, облегчают себе полет.
Какие птицы не летают
Итак, что необходимо птице для полета:
- Небольшая масса тела.
- Развитая мускулатура.
- Крылья и вес должны быть соразмерны.
Не все птицы обладают всеми этими качествами, соответственно, возможности летать они лишены. Например, под последний пункт ну уж никак не подпадают пингвины и страусы.
Есть птицы, которые перестали летать в процессе эволюции из-за того, что пропала потребность. Им не от кого было улетать, враги в окружающей природе отсутствовали. Теперь они на грани вымирания. Среди них, например, птичка киви.
В данной статье будет рассмотрено с физической точки зрения - почему птицы летают.
Если внимательно смотреть за полетом птиц, то можно увидеть, что птицы совершают движения крыльями вперед, одновременно раздвигая крылья, затем вниз и назад, сдвигая крылья, и, наконец, вверх.
При движении «вниз-назад» создается разрежение воздуха перед крылом, то есть возникает поступательное движение птицы вперед. Очевидно, что, чем чаще движения крыльев «вниз-назад», тем больше разрежение воздуха перед крылом и, следовательно, больше скорость полета птицы.
Но если крылья двигаются вперед и назад относительно корпуса птицы, то должна ухудшаться устойчивость горизонтального положения корпуса птицы в полете. Но почему же этого не происходит?
Для ответа на этот вопрос рассмотрим строение перьев, входящих в состав крыльев птиц.
Строение перьев
Перо состоит из стержня с прикрепленными к нему примерно под углом 45 градусов пластинами.
Вверху пластины скреплены между собой упругими воздухонепроницаемыми соединениями. Перья накладываются друг на друга. Сверху перья имеют большой коэффициент сцепления между собой, а снизу - свободное перемещение. При движении крыльев вперед площадь крыльев увеличивается, перья раздвигаются и, за счет сцепления перьев между собой, пластинки перьев отклоняются от стержня на больший угол.
Аэродинамическое качество нижней поверхности крыла ухудшается, происходит торможение воздуха в нижней поверхности крыла в задней ее части и, следовательно:
- увеличивается подъемная сила крыла.
- вектор подъемной силы крыла сдвигается назад.
То есть, при движении крыльев «вперед-назад» вектор подъемной силы передвигается относительно крыла, а относительно корпуса птицы остается в одном и том же месте, тем самым предотвращая колебания корпуса птицы в полете.
Движение крыльев в полете
Таким образом, птица в полете совершает следующие движения крыльями:
1. Вперед
Крылья раздвигаются.
Воздух заполняет крылья сверху в местах соединения перьев с мышцами крыла.
Создается дополнительная подъемная сила за счет торможения воздуха раздвигающимися пластинками перьев
2. «Вниз-назад»
Крылья сдвигаются.
Создается подъемная сила
Происходит разрежение воздуха перед крылом (увеличивается скорость полета)
Из крыльев сбрасывается присоединенный воздух (между перьями - сверху и пластинами - снизу, вытесняясь в строну, противоположную направлению полета).
Скорость воздуха, обтекающего верхнюю плоскость крыла, увеличивается, а следовательно, создается дополнительное разрежение воздуха над крылом.
3. Вверх
Крылья перемещаются в исходное положение.
Смена перьев
С течением времени кромки перьев изнашиваются, трение между ними уменьшается и перья начинают проскальзывать между собой. Пластинки перьев раздвигаются на меньший угол, устойчивость полета ухудшается. Поэтому птицы меняют перья на новые.
Кстати, это положение можно проверить на живых птицах, исключив трение между перьями.
