Физика и птицы (Вечер вопросов и ответов)
Цели и задачи:
Показать учащимся «приложимость» законов физики к жизнедеятельности птиц;
Развитие и воспитание экологической культуры;
Привлечение внимания учащихся к миру пернатых и проблемам охраны природы .
Оформление зала:
1) Плакаты.
а) Физика не только может, но и должна глубоко вторгаться в биологию как своими средствами исследования, так и свойственными ей теоретическими представлениями.
Академик
б) Невозможно сейчас изучать вопросы организации живой природы, не зная её физико-химических основ.
Академик
в) Задача сохранения животных и птиц требует их понимания.
Н. Тинберген
г) Дерево, трава и птица
Не всегда умеют защититься.
Если будут уничтожены они,
На планете мы останемся одни.
2)Выставка детских рисунков.
Оборудование: проектор, DVD-проигрыватель, экран, жетоны в форме птиц, рисунки, плакаты, электростатическая машина, бумажный султан, доска, мел.
Ход мероприятия.
Вступительное слово учителя:
Изучение природных явлений имеет огромную познавательную ценность. Природа – гигантская физическая лаборатория – наглядно демонстрируют единство физической картины мира, взаимосвязь природных явлений.
Изучение физики природных явлений позволяет успешно решать различные технические проблемы. Человек издавна учился у природы. В наше время человек, вооруженный комплексом современных научных знаний и прекрасными измерительными приборами и устройствами, в состоянии заглянуть в самые сокровенные «тайники» природы, способен многому у неё научиться.
Не надо забывать, что понимание процессов, происходящих в природе, является залогом бережного отношения к природе, что особенно важно в наше время, когда вооруженный мощной техникой человек в состоянии не только искалечить, но и вообще погубить земную природу.
Постигая физику явлений природы, мы объединяем эмоциональное восприятие с рациональным. В результате мы учимся видеть красоту в физике и более глубоко чувствовать прекрасное.
Сегодня мы поговорим о птицах. Возможно, многие удивились, услышав тему разговора. Ведь вечер не биологический, а физический. В ходе вечера вы убедитесь в том, что понятия «физика» и «птица» тесно взаимосвязаны – с одной стороны, процессы в организме птицы, поведение птиц объясняются законами физики, а с другой – птицы помогают человеку решать научно-технические вопросы.
Вечер состоит из пяти разделов. Правильность ваших ответов буду определять я, а количество правильных ответов подсчитает счетная комиссия (представляется комиссия; она составлена из числа старшеклассников). За правильный ответ вы получите жетон, в конце вечера определим победителя по количеству жетонов.
I. Физика птицы.
1. Как объяснить тот факт, что водоплавающие птицы мало погружаются в воду? Каким законом физики описывается это явление? (Приложение, приложения проецируются на экран)
Ответ. Это проявление закона Архимеда. Выталкивающее действие жидкости (величина силы Архимеда) зависит от объема тела – чем больше объем тела, тем больше выталкивающая сила. У водоплавающих птиц имеется толстый, не пропускающий воды слой перьев и пуха, в котором содержится значительное количество воздуха. Благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему всё тело птицы, её объем увеличивается, а средняя плотность оказывается очень малой.
2. Водоплавающие птицы из воды выходят практически сухими. Как объясняется это явление? Вспомните поговорку по этому поводу.
Ответ. Поговорка «Как с гуся вода». Это явление несмачиваемости. Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез. Молекулы жира и воды не взаимодействуют, поэтому жирная поверхность остается сухой.
3. Почему утки и гуси ходят, переваливаясь с ноги на ногу? (Приложение)
Ответ. У гусей и уток лапы расставлены широко, поэтому, чтобы сохранить равновесие при ходьбе, им приходится переваливать тело так, чтобы вертикальная линия, проходящая через центр тяжести, проходила через точку опоры, то есть лапу.
4. Почему мы не воспринимаем как звук те колебания воздуха, которые создаются крыльями пролетающей птицы?
Ответ. Частота колебания, создаваемая крыльями птицы, ниже нашего порога слышимости, поэтому полёт птицы как звук мы не воспринимаем.
5. Почему птицы обладают очень острым зрением, превосходящим зрение животных? Почему сокол может видеть на громадном расстоянии? (Приложение)
Ответ. В любом глазу есть фокусирующий аппарат (хрусталик) и аппарат светоизоляции. У птиц глазное яблоко очень больших размеров и своеобразного строения, благодаря которому увеличивается поле зрения. У птиц, имеющих особенно острое зрение (грифы, орлы), глазное яблоко удлиненной «телескопической» формы. Глаз сокола устроен таким образом, что хрусталик может стать почти плоским, вследствие этого изображение отдаленных предметов падает на сетчатку.
6. Почему утки и другие водоплавающие птицы могут долгое время находиться в холодной воде и при этом не переохлаждаются?
Ответ. Грудь и брюшко, т. е. части тела, которые бывают погружены в воду, одеты у утки густым пухом, который сверху плотно прикрыт перьями, защищающими пух от воды.
Пух обладает низкой теплопроводностью и не смачивается водой.
7. В сильный мороз птицы чаще замерзают на лету, чем сидя на месте. Чем это можно объяснить?
Ответ. При полете оперение птицы сжато и содержит мало воздуха, а вследствие быстрого движения в холодном воздухе происходит усиленная отдача тепла в окружающее пространство. Эта потеря тепла бывает настолько большой, что птица на лету замерзает.
8.Как объяснить разнообразие звуков, издаваемых птицами? (Приложение)
Ответ. Голосовые аппараты птиц и человека принадлежат к типу духовых «музыкальных» инструментов, звук в них образуется за счет движения воздуха, выдыхаемого из легких. У птиц имеется не одна гортань, а целых две: верхняя, как у всех млекопитающих, и нижняя. Причем главная роль в образовании звуков принадлежит нижней гортани, устроенной очень сложно и разнообразно у разных видов птиц. Она имеет не один вибратор, или источник звука, как у человека, а два или даже четыре, работающих независимо друг от друга. Образование второй гортани дало возможность использовать трахею в качестве сильнейшего резонатора. Движениями тела и натяжением специальных мышц птица может в значительной степени изменять форму сложной системы резонаторов и, таким образом, управлять звуковысотными и тембральными свойствами своего голоса. Разнообразие в строении голосового аппарата соответствует и разнообразию звуков, издаваемых птицами. – от низких басовых криков (гуси, утки, вороны), до высочайших мелодичных свистов у певчих птиц. Для образования звуков многие птицы используют и другие «музыкальные инструменты»: клюв, лапы, крылья и даже хвост. Дятел – превосходный «барабанщик», использует в качестве барабана хорошо звучащее сухое дерево или резонирующий сук.
II. Птицы знают законы физики.
1. Почему куропатка, рябчик, тетерев ночуют в снегу?
Ответ. Эти птицы хорошо «знают» законы молекулярной физики. Снег обладает низкой теплопроводностью, поэтому служит своеобразным одеялом для птиц. Тепло, вырабатываемое телом птицы, не уходит в окружающее пространство.
2. Почему белая куропатка резко меняет цвет оперения весной? (Приложение)
Ответ. Куропатка «знает» законы оптики. Тела приобретают тот цвет, какую компоненту белого света отражает вещество данного тела. Это определяется свойствами атомов и молекул. Меняя цвет оперения, куропатка «сливается» с окружающей средой и создает для себя безопасные условия.
3. Почему утки и гуси при плавании то распрямляют перепонки на лапках, то сдвигают пальцы?
Ответ. Утки и гуси используют перепонки на лапках как весла, т. е. они «знают» изменение сопротивления при движении в разных направлениях.
При движении лапок назад утка распрямленной перепонкой загребает воду, а при движении вперед сдвигает пальцы – сопротивление уменьшается, в результате чего утка продвигается вперед.
4. Как известно, некоторые птицы во время далеких перелетов размещаются цепочкой или косяком. В чем причина такого расположения? (Приложение)
Ответ. Перелетные птицы «знают» зависимость сопротивления от формы тела и «умеют» пользоваться явлением резонанса. Наиболее сильная птица летит впереди. Воздух обтекает её тело так, как вода нос и киль корабля. Этим обтеканием объясняется острый угол косяка. В пределах данного угла птицы легко продвигаются вперед. Они инстинктивно угадывает минимум сопротивления и чувствуют, находится ли каждая из них в правильном положении относительно ведущей птицы. Расположение птиц цепочкой, кроме того, объясняется еще одной важной причиной. Взмахи крыльев передней птицы создают воздушную волну, которая переносит некоторую энергию и облегчает движение крыльев наиболее слабых птиц, летящих обычно сзади. Таким образом, птицы, летящие косяком или цепочкой, связаны между собой воздушной волной и работа их крыльев совершается в резонанс. Это подтверждается тем фактом, что если воображаемой линией соединить концы крыльев птиц в определенный момент времени, то получится синусоида.
5. Некоторые крупные морские птицы часто «сопровождают» суда, преследуя их часами, а то и сутками. При этом обращает на себя внимание тот факт, что эти птицы преодолевают путь совместно с теплоходом с малой затратой энергии, летя большей частью с неподвижными крыльями. За счёт какой энергии перемещаются в этом случае птицы? (Приложение)
Ответ. При выяснении этого явления было обнаружено, что в штиль парящие птицы держатся несколько позади судна, а при ветре – ближе к подветренной стороне. Также было замечено, что если птицы отставала от корабля, например, охотясь за рыбой, то, догоняя пароход, она большей частью должна была энергично махать крыльями. Эти загадки имеют простое объяснение6: над кораблем от работы машин образуются потоки восходящего теплого воздуха, которые прекрасно удерживают птиц на определенной высоте. Птицы безошибочно выбирают себе относительно судна и ветра такое местоположение, где восходящие потоки от паровых машин бывают наибольшие. Это дает птицам возможность путешествовать за счет энергии корабля. Эти птицы прекрасно «знают» явление конвекции.
6. Часто можно видеть, как некоторые птицы, не взмахивая крыльями, спокойно поднимаются вверх. В большинстве случаев подъем происходит по винтовой линии. За счет каких сил осуществляется этот подъем? (Приложение)
Ответ. В этом случае проявляется «знание» птицами всех способов теплопередачи – теплопроводности, конвекции и излучения. Под действием солнечных лучей различные участки земной поверхности нагреваются по-разному. Над более нагретыми участками возникают восходящие воздушные потоки. Каким образом птицы используют эти потоки, видно из рисунка.
7. Объясните особенности движения альбатроса над морскими волнами.
Ответ. Альбатросы при движении используют энергию морских волн. Над гребнем морской волны возникает восходящий воздушный поток, который создает подъёмную силу и способствует движению птицы вверх. Достигнув максимальной высоты, птица начинает падать вниз, пока снова не будет подхвачена и поднята следующей волной. Таким образом, волнообразное движение альбатроса происходит в такт с движениями морских волн.
8. Почему утки в сильный мороз охотно лезут в воду?
Ответ. Утка хорошо «усвоила» то, что вода имеет большую теплоемкость – 4200 Дж/(кг град). Вода долго нагревается, но и остывает долго. Чем больше объем воды, тем дольше происходит этот процесс. Значит, температура воды в сильный мороз значительно выше температуры окружающего воздуха. Поэтому в воде птица будет охлаждаться меньше, чем на воздухе.
9. Почему перед дождем ласточки летают низко? (Приложение)
Крылья птицы - это ее жизнь, Хрустнет случайно ветка под ногами охотника - и птица, которую вы так тщательно скрадывали, уже вне выстрела: крылья спасли ее. Только полет дает возможность пернатым строить гнезда в местах, не доступных для человека и нелетающих хищников. Способность к полету позволяет птице быстро перенестись к далеким местам зимовок, избежать зимних холодов и голода. Охотник нередко узнает птицу по ее общему очертанию в воздухе, по характеру движений крыльями, по стремительности, прямолинейности полета, по издаваемому крыльями шуму. "Видно птицу по полету",- эту поговорку, несомненно, ввели в обиход охотники.
Полет тесно связан с образом жизни птицы, с тем, как она разыскивает и схватывает корм, где чаще всего держится - на воде, на земле или в воздухе. В связи с этим органы полета птиц - крылья устроены несколько по-разному. Не надо думать, что птица, взмахивая крыльями, опирается о воздух, "подбрасывает" себя в нем и таким образом удерживает нужную ей высоту полета. Чтобы лететь, ей вовсе не обязательно бить крыльями по воздуху, но она обязательно должна двигаться вперед. Именно так летают самолет и планер, так же летает и птица.
Посмотрите на парящего орла. Он не машет крыльями, а может парить чуть ли не часами. При этом он все время летит вперед - прямо или кругами. Но лететь так вперед можно только наклонно, все время снижаясь, хотя бы и незначительно. И орел, действительно, снижается..., оказываясь порой все выше и выше. Происходит это потому, что воздух, в котором снижается орел, сам все время поднимается вверх и притом с большей скоростью, чем опускается парящая птица. Если нет восходящего потока воздуха, парящий полет невозможен. Восходящие потоки воздуха часто наблюдаются у гор, где ветер, встретив препятствие, отклоняется вверх. Именно поэтому в горных областях чаще всего можно видеть парящую птицу, потому-то многие хищные птицы во время сезонных перелетов и придерживаются горных хребтов, протянувшихся вдоль трассы пролета. В настоящее время известно несколько "воздушных дорог".
Птицу можно сравнить с самолетом. Крылья самолета создают подъемную силу, удерживают его в воздухе. Но это при условии, если винт тянет самолет вперед и притом достаточно сильно. У живого существа нет винта, его роль выполняют концы крыльев - крайние, наиболее крупные и жесткие маховые перья. Тянущий эффект этих перьев создается благодаря взмахам крыла, заменяющим вращательное движение пропеллера. Часть крыла, расположенная ближе к туловищу, и ее так называемые второстепенные маховые перья представляют собой несущую поверхность и создают подъемную силу. Последняя возникает так же, как и под крылом самолета, потому что летящая птица движется вперед и над поверхностью ее крыла воздух оказывается несколько разреженным. Конечно, это только схема и притом очень приблизительная.
Когда у птицы (например, у крошечной колибри или нектарницы) второстепенных маховых перьев очень мало, то ее узкое крыло представляет собой как бы одно сплошное перо, выполняющее задачу пропеллера. Крыло колибри во время полета описывает концом восьмерку и движется с поразительной быстротой. Подсчитано, что если бы оно описывало не восьмерку, а вращалось вокруг плечевого сустава, то проделало бы 1680 оборотов в минуту - число, близкое к скорости вращения пропеллера самолета. Впрочем, такую птицу, как колибри, следует сравнивать не с самолетом, а с вертолетом: в полете она "ввинчивается" в воздух. Летают таким образом не только колибри, но иногда и крупные птицы. Испуганный чирок может вдруг изменить горизонтальный полет на вертикальный. Довольно крупные птицы при резком наборе высоты, при посадке и т. п. могут работать только концевыми, пропеллирующими частями крыла, тогда как несущая часть как бы вовсе исключается из полета. Особенно часто это можно наблюдать у птиц, которые как бы повисают в воздухе, быстро взмахивая крыльями над головой. Так делают, например, высматривающие с воздуха добычу пустельга и кобчик, так высматривают рыбу крачки. Подобный тип полета требует большой затраты мышечной энергий, очень утомителен, и крупные птицы пользуются им лишь самое короткое время.
Образ жизни птицы, строение ее летательного аппарата и полет тесно связаны между собой. Утки, чтобы создать для своего тяжелого тела необходимую подъемную силу, должны быстро лететь и для этого часто взмахивать крыльями. И действительно, полет их стремителен и прямолинеен. "Высший пилотаж" в воздухе уткам не свойствен: им нужно лишь быстро переместиться из одного места в другое. Другое дело - чайки. Тело их много легче, крылья относительно больше, длиннее. Чтобы развить нужную подъемную силу, чайке вовсе не надо лететь быстро. Она машет крыльями не более трех-трех с половиной раз в секунду, легко переходит на парение. Расход ею мышечной энергии в полете невелик, поэтому чайка не связана так с землей или водой, как утка. В противоположность утке вспугнутая чайка иногда просто уходит в воздух, а не стремится переместиться. Нередко чайки просто "проводят время" в воздухе.
Фазан, куропатка, кеклик, рябчик и другие боровые птицы из отряда куриных кормятся почти исключительно на земле, устраивая здесь и свои гнезда. Насиживающая куропатка при всякой опасности не может вспархивать и снова садиться, как это делают мелкие певчие птицы: ведь чем крупнее птица, тем с большим трудом дается ей взлет с ровного места. Она затаивается и благодаря этому действительно часто избегает опасности. Но если опасность реальна и приблизилась к птице вплотную, то она должна исчезнуть с опасного места как можно скорее. Поэтому в полете куриных птиц главное - возможность быстрого, ракетоподобного взлета. Куропатка взлетает стремительно, с шумом, затрачивая много энергии, но при первой возможности переходит на скольжение и садится. Ее крылья - широкие, выпуклые, закругленные, с пальцеобразно расставленными первостепенными маховыми перьями. Они как нельзя лучше подходят именно к такому полету, позволяют взлетать вертикально - "свечкой". Грудная, белая мускулатура куриных способна мгновенно развивать необходимую для ракетоподобного взлета большую мощность. Но они очень быстро утомляются. Фазан, взлетев, вскоре переходит на планирующий спуск.
Кроме куриных, есть немало птиц с закругленно оканчивающимся крылом и пальцеобразно расставленными первостепенными маховыми перьями. Но характер полета их совершенно иной. Орлы и грифы имеют длинные, широкие, большие крылья. Это крылья парителей. Округленные крылья с расставленными маховыми имеют и ястребы. Однако они не парят. Подобные крылья при наличии довольно длинного хвоста создают возможность маневренного, верткого полета. Ястреб часто хватает свою жертву "из-за угла", очень долго гнаться за добычей он не может.
Любопытно, что у разных видов уток наблюдаются различия в характере полета, определяемые степенью связи птицы с водой. Хорошо ныряющая птица должна иметь маленькие крылья.
В Казахстане и Средней Азии водится хорошо ныряющая небольшая утка - савка. У нее очень маленькие крылья и большая весовая нагрузка на единицу площади крыла, полет ее совершается "без запаса мощности", можно сказать, на пределе. Нырковые утки летают уже с заметным запасом энергии, полет их легче и маневреннее, чем у савки. А речные (благородные) утки имеют наиболее развитую летательную мускулатуру, летают с большим запасом мощности и чаще других уток поднимаются на крыло.
Скорость полета птиц сравнительно невелика. Орлан, например, пролетает 50 километров в час. Орел-беркут может догнать машущим полетом лисицу за четверть минуты, догоняет он и джейрана. Но для этого не нужно особенно быстро летать: ведь скорость бега лисицы всего 42, а джейрана не более 72 километров в час.
К настоящему времени собрано много данных о скорости полета птиц. Наблюдения велись с самолета, автомобиля, с помощью телескопа и т. п. Разобраться в этих наблюдениях нелегко, так как наблюдатели редко учитывали ветер, а значение его очень велико. Установлено, что во время сезонных миграций ястреб-перепелятник летит со скоростью 31-35, а сокол-сапсан - 48-49 километров в час. Это всего на 5-8 километров больше, чем скорость полета грача. Конечно, когда ястреб преследует добычу, то на короткое время резко увеличивает скорость полета. Однако чаще хищная птица прибегает к особым приемам. Сокол, например, делает "ставку", т. е., поднявшись выше облюбованной жертвы, он полускладывает крылья и пикирует на нее со скоростью, которая достигает 360 километров в час; но это уже не полет, а скорее паденрге. В состоянии такого скоростного пикирования сокол находится не больше одной-двух минут, так как дистанция броска редко превышает 2 километра. После нескольких неудачных ставок по одной и той же птице сапсан прекращает свою охоту. Здесь дело не в том, что сапсан, как ловчая птица, "сконфужен"; он просто устал, как устает фазан после двух-трех взлетов.
Охотясь, сапсан обычно сидит на скале или дереве и поднимается на крыло только тогда, когда заметит в воздухе возможную добычу,- он бережет силы для скоростных ударов.
Мелкие воробьиные птицы летят со скоростью 36-60 километров в час, но скворцы - от 61 до 79 километров. Гуси (как установлено наблюдениями в телескоп) покрывают в час от 67,6 до 88,5 километра, утки - 75,8-95 километров. Однако чирки развивают иногда скорость в 100 километров в час и даже больше. Ласточки летают не быстро, 54-65 километров в час, и это понятно, в их полете главное верткость, а не быстрота. Другое дело стрижи - для них главное стремительность полета и это, пожалуй, самые быстрокрылые птицы. Колючехвостый стриж, например, может развивать скорость до 170 километров в час.
Встречный ветер замедляет полет птицы, попутный ускоряет. Почтовый голубь пролетает в безветренную погоду 70-90 километров в час, при встречном ветре - 30-40 километров, а при попутном - до 120 километров. Поэтому птицы совершают свои сезонные миграции часто (хотя и не всегда) при попутном ветре. Боковой ветер сносит птицу в сторону. Над Северным морем пролетный путь некоторых видов птиц смещается иногда боковым ветром на несколько сотен километров в сторону. Тогда в Англии в большем числе появляются обычно малочисленные в этой стране или не свойственные ей птицы. Благодаря такому "дрейфу" на островах Северного моря весной и осенью постоянно попадаются залетные птицы, а у берегов Западной Европы добывают иногда птиц с американского континента.
Как правило, во время полета птицы не выходят за пределы средних норм своих возможностей. Только в исключительных случаях (длительное преследование, полет при особо неблагоприятных метеорологических условиях) птица может обессилеть. Даже сезонные миграции, когда нужно пролететь сотни, а то и тысячи километров, не требуют от птицы особого напряжения. И хотя грач может пролететь в час 50-55 километров, однако весной он пролетает немногим более полусотни километров в сутки. Аист, летящий из Средней Европы на зимовку в Южную Африку, покрывает около 10 000 километров за 80 дней, т. е. в среднем пролетает за сутки всего 120 километров. Подсчитано, что большинство птиц во время перелета преодолевает за день расстояние, не превышающее обычных их суточных передвижений в местах гнездования. Только во время перелетов над морем сухопутные птицы летят иногда из последних сил. Перепелки - неважные летуны. Однако им приходится пересекать ежегодно весной и осенью Черное море в его наиболее узкой части. Выждав благоприятную погоду, перепела отправляются в свой трехсоткилометровый путь и прилетают на другой берег моря предельно усталые, изможденные.
Утки, гуси и лебеди летят, вытянув вперед длинную шею. Это характерно для плавающих и ныряющих птиц с длинным телом и коротким хвостом. Длинное тело утки, брюхо с тяжелыми лапами обвисло бы, но вытянутая вперед длинная шея уравновешивает птицу, и она летит прямо. Такие птицы в полете малоповоротливы. У цапли и некоторых других длинношеих птиц голова бывает подтянута к туловищу. Однако думать, что у утки шея длиннее, чем у хищной птицы, ошибочно. У орла шея нисколько не короче, чем у утки, но он держит ее втянутой в плечи, а сильное развитое оперение скрывает ее изгиб от наблюдателя. Как правило, втягивают в полете шею те птицы, которые имеют длинный хвост или сравнительно короткое тело. Птица с длинным хвостом бывает в полете более верткой. Хвост служит ей скорее как стабилизатор полета, поддерживает равновесие во всех случаях, когда подвижные крылья его нарушают. Во время виража птица часто поворачивает хвост в сторону, противоположную той, в которую она повернула бы его, если бы "рулила" им. Это она делает для того, чтобы как-то компенсировать слишком резкий поворот, вызываемый возникающими в крыле аэродинамическими силами.
Потому что летают. Ответ на первый взгляд очевиден. Но все же почему птицы машут крыльями, но не могут лететь как самолеты на неподвижно распростертых крыльях?
Давайте разберемся, каким образом самолет и птица подымаются в воздух. Итак, самолет крыльями не машет. Для того, чтобы поднять в воздух многотонную машину нужна огромная сила и эта сила у самолета… в крыльях. Крыло самолета спереди всегда толще, чем сзади, поэтому при движении вперед он рассекает воздух на две струи. Одна струя омывает крыло сверху, вторая — снизу. При таком разделении аэродинамических потоков давление воздуха над крылом всегда меньше, чем давление воздуха под крылом, а это значит, что нижняя струя «давит» на крыло и вытесняет самолет вверх.
Таким образом для полета самолету обязательно нужен встречный поток воздуха, который изначально возникает при разгоне машины по летной полосе. Именно по этой причине самолет без разгона взлететь не может (некоторые модели военных самолетов в расчет принимать не будем, они используют для взлета совершенно другой принцип). В небе самолет поддерживает свое движение за счет работы пропеллеров: прогоняя воздух, они создают реактивный поток, который одновременно движет самолет вперед и вместе с тем удерживает его на высоте. Если пропеллеры не работают, движения вперед нет, а это неизбежно грозит потерей высоты и падением самолета. При посадке интенсивность работы пропеллеров сначала уменьшается (самолет плавно снижается), а затем они начинают работать в так называемом реверсном режиме, то есть гонят воздух в обратном направлении (самолет тормозит на посадочной полосе).
А что же птицы? Как ни странно птицы используют для подъема в воздух тот же принцип. Их крылья имеют такую же форму, как и крылья самолета. Точнее, это самолеты люди спроектировали по принципу птичьего крыла. Птичье крыло так же рассекает воздух и так же подымает птицу за счет встречного потока. Вот только у птиц нет одной самолетной детали. У них нет пропеллера! А это значит, что первоначальный встречный реактивный поток воздуха птица создать не может — нет двигателя, нет движения вперед, нет высоты. Поэтому для подъема в воздух птицам приходится совершать взмахи крыльями. При взмахе крылом птица словно опирается на воздух и приподымается чуть вверх. Каждый взмах — словно «шаг» по невидимой воздушной лестнице.
Птицам с небольшой массой сравнительно легко поднять свое тело в высоту, крупным и тяжелым видам сделать это намного труднее. Именно поэтому большие птицы взлетают с некоторым трудом — разгоняются, бегут. Таким образом они создают именно ту начальную скорость, которая необходима для полета, а поднявшись в воздух, птицы энергично машут крыльями, чтобы не упасть. Для удержания в воздухе птицам нужна скорость: чем она выше, тем относительно меньше птица затрачивает усилий на подъем. Самый энергозатратный полет — это полет на месте. Таким полетом владеют только колибри, они могут зависать в одной точке, но при этом вынуждены махать крыльями с неимоверной скоростью.
Некоторые птицы могут планировать на неподвижных крыльях. Но с активным «самолетным» полетом планирование ничего общего не имеет. При планировании птица использует уже «готовый» поток воздуха, который несет ее сам. Откуда берется этот поток? Он возникает, когда воздух нагревается от земли или большой массы воды. Теплый воздух устремляется вверх — это и есть конвективный поток. Такие потоки бывают в горах и над океанами, поэтому парение свойственно горным и морским птицам (альбатросам, орлам, грифам).
А как же птицы садятся? Не так как самолет. Так как реактивной струи у них нет, то для торможения птица просто расправляет крылья поперек встречного воздушного потока. Этим она прерывает движение воздуха и тем самым сбрасывает высоту.
Недавно в журнале Functional Ecology, рассказывает о том, что птицы с большими клювами тратят намного больше времени на то, чтобы прятать их под крыльями в попытках сохранить тепло. Ученые и раньше предполагали, что птицы прячут клювы под крыло с той же целью, что и мы укутываем носы теплыми шарфами, однако это исследование было первым из тех, что перешли от теории к практике и занялись исследованием птиц в дикой среде обитания.
Экологи из Университета Дикин в Австралии отслеживали 9 видов куликов в течение полугода, от зимы к лету, чтобы понять, как температура и размер клюва влияют на поведение животных. Они на самом деле обнаружили, что это и в самом деле попытка сохранить тепло, а потому во время холодов птицы делают это все чаще. Что примечательно, оказалось, что размер клюва напрямую влияет на то, сколько времени птица проводит, пряча его под крылом.
Ранее команда Мэтта Симондса, соавтора статьи, выяснила, что клюв у птиц помимо прочего играет роль элемента охлаждения, не позволяя животному перегреваться. Это очень полезно в условиях жаркого климата, однако в более холодных регионах может стать настоящей проблемой. Любопытно, что поведение австралийской шилоклювки (Recurvirostra novaehollandiae), вида с самым длинным клювом из всех, кого наблюдали ученые, в период холодов было весьма сложным. Птица не может прятать голову под крыло все время, потому что это мешает ей смотреть по сторонам. Поэтому то, как часто птицы решали «прогреть» свои клювы, напрямую зависело от размера и поведения их стаи. Если стая большая, то голову можно спокойно укрыть в тепле, если маленькая — приходится быть начеку.
Это исследование дополняет гипотезу о том, что размер клюва птицы зависит исключительно от ее рациона. На самом деле, размер клюва может быть компромиссом между многими факторами. Например, с одной стороны большой клюв позволяет птице колоть твердые орехи и панцири улиток, с другой вполне может стать причиной ее смерти от переохлаждения, к тому же птица, постоянно согревающая его, может и не увидеть приближения хищника.
Ученые обнаружили еще одну интересную особенность: некоторые виды воробьиных продолжали прятать клюв под крыло даже при очень высоких температурах. Экологи полагают, что подобное поведение обусловлено тем, что в клювах у птиц содержится множество капилляров, и таким образом животные просто регулируют теплообмен. Спасая клюв от прямого воздействия солнечных лучей, птицы охлаждают его, однако эта гипотеза нуждается в подтверждении, так что следующей работой команды станет куда более обширное исследование.
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.