"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 Л.А. Арцимович
б) Невозможно сейчас изучать вопросы организации живой природы, не зная её физико-химических основ.
Академик М.В. Келдыш
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: 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?
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?
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?
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?
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?
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?
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?
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?
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?
Ответ. Перед дождем влажность воздуха увеличивается, в результате чего у мошек, мотыльков и других насекомых крылышки покрываются мелкими капельками влаги и тяжелеют. Поэтому насекомые опускаются вниз, а следом летят и птицы, питающиеся ими, например, ласточки. Можем утверждать, что ласточки знают зависимость силы тяжести от массы тела: F=mg
10. Почему птицы безнаказанно садятся на провода высоковольтной передачи?
Ответ. Птицы «знают» особенности параллельного соединения проводников и закон Ома для участка цепи. Тело сидящей на проводе птицы представляет собою ответвление цепи, включенное параллельно участку проводника между лапками птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина токов в них обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна. Следует добавить ещё, что разность потенциалов на участке между ногами птицы мала.
11. Почему птицы слетают с провода высокого напряжения, когда включают ток?
Ответ. При включении высокого напряжения на перьях птицы возникает статический электрический заряд, из-за наличия которого перья птицы расходятся, как расходятся кисти бумажного султана, соединенного с электростатической машиной (продемонстрировать опыт ). Это действие статического заряда и побуждает птицу слететь с провода.
12. В стихотворении А.С. Пушкина «Кавказ» есть такие слова: «Орел, с отдаленной поднявшись вершины, парит неподвижно со мной наравне». Объясните, почему орлы, ястребы, коршуны и другие крупные птицы, парящие высоко в небе, могут держаться на одной высоте, не взмахивая при этом крыльями.
Ответ. Нагретый у земли воздух поднимается на значительную высоту. Эти теплые потоки воздуха ударяются снизу в распростертые крылья птицы и поддерживают её. И орлы «знают» о явлении конвекции
13. Во время сильных морозов птицы нахохливаются. Почему при этом они легче переносят холода?
Ответ. «Зная», что воздух обладает низкой теплопроводностью, птицы нахохливаются. Слой воздуха между перьями увеличивается и вследствие плохой теплопроводности задерживает отдачу тепла телом птицы в окружающее пространство.
14. Птица-нырок (чомга) великолепно ныряет. Каким образом она уменьшает силу, выталкивающую её из воды? Каковы ваши предположения?
Подсказка. Вспомните условия плавания тела (соотношение между силой Архимеда и силой тяжести)
III. Экология и птицы.
Звучит «Песня о птицах» в исполнении А.Градского
Учитель: В последние десятилетия деятельность человека оказывает огромное по масштабам и интенсивности воздействие на природную среду. Одним из доказательств пагубного воздействия человека является сокращение видового разнообразия живой природы, в частности, птиц.
Сейчас мы рассмотрим несколько экологических проблем с точки зрения физики.
1. Шум – враг номер один в современном мире.
В населенных пунктах шум возникает из-за работы промышленных объектов, увеличения количества транспорта. Это неизбежно в современных условиях. Но зачастую мы шумим и в лесу, садах и парках – громко говорим, кричим, смеемся, включаем радиоприемники. И это губительно для птиц. Шум наносит большой вред выведению потомства птиц. В результате беспокойства родители покидают облюбованные места. Чем объясняется такое действие шума на живые организмы?
Ответ . Шум – это звук (а звук – это механические колебания), в котором присутствуют колебания различных частот. Эти колебания действуют на мембрану слухового органа, и соответствующие сигналы непрерывно раздражают нервную систему живого организма.
2. Вернемся к вопросу о птицах на проводах из раздела «Физика птицы».
(Приложение № 10). Так ли «безнаказанно» сидят птицы на проводах? Отнюдь нет.
Если птица, сидя на проводе, коснется столба крылом, хвостом или клювом, она будет мгновенно убита током, который устремится через её тело в землю.
В России десятки миллионов птиц ежегодно становятся жертвами воздушных линий электропередачи. В последние годы поражение электрическим током стало настоящей бедой для пернатых. Особенно опасно это для крупных птиц: лебедей, журавлей, пеликанов, бакланов.
Мачты линий электропередачи являются для многих птиц любимым местом отдыха. Их безопасность зависит от конструкции мачт. У многочисленных мачт имеется лишь небольшое расстояние между мачтой и проводом. В таких случаях птицы могут на подлете или при взлете вызывать короткое замыкание, ведущее их к гибели. Птицы погибают и тогда, когда при снижении не замечают провода, особенно, если провода проходят над водой.
Эксплуатация линий электропередач без птицезащитных и птицеотпугивающих устройств в России является нарушением Федерального закона «О животном мире» (статья 28). Какие птицезащитные и птицеотпугивающие устройства можете предложить?
Ответ. а) На мачтах линий высоковольтной передачи установить изолированные насесты, на которых птица могла бы не только сидеть, но и безнаказанно чистить свой клюв о провод.
б) Особо опасные места сделать недоступными для птиц.
в) Оборудовать устройства, издающие такие звуки, которые большинство птиц воспринимает как сигнал тревоги.
г) Провода, проходящие над большими водоемами, делать из материалов, оптические свойства которых не позволяют им сливаться с фоном.
3. (Приложение № 15). Огромные массы нефти транспортируются морским путем и при этом как в результате аварий, так и при промывке резервуаров танкеров на поверхности воды оказываются значительные массы нефти, которая разливается тонким слоем. (Вспомните значения плотности воды и нефти). Так называемые нефтяные слики способны перемещаться неделями и даже месяцами. Более тяжелые фракции осаждаются и образуют эмульсии. Чем опасна нефть для птиц?
Ответ . Влияние нефти для птиц пагубно, так как нефть очень легко проникает к телу птицы. Достаточно небольшого количества нефти, чтобы вызвать нарушение структуры крыла: вода заполняет пространства, в которых обычно заключен воздух, нарушает теплоизоляцию и плавучесть. Птица утяжеляется, её плавательные движения сковываются, она не может летать. Пятно нефти на груди птицы достаточно для её гибели, особенно в холодных водах. Если же птицы не гибнут, то они начинают непрерывно чиститься, при этом нарушается структура их крыльев, они частично заглатывают нефть, что приводит к их заболеванию.
4. (Приложение № 16). Еще одна причина уменьшения количества птиц – это многочисленные столкновения птиц с турбовинтовыми и турбореактивными самолетами. Иногда случается, что птицы просто «атакуют» аэропорты. Чем можно объяснить такое явление?
Ответ. Птиц привлекают в аэропорты звуки высокого тона, которые возникают при работе турбовинтовых и турбореактивных двигателей. Частота колебаний и длина волн этих звуков практически совпадают с частотой и длиной волн звука, издаваемого множеством насекомых.
IV. Задачи о птицах.
(задачи решаются на доске)
1 . Скорость ласточки 63км/ч, а скорость скворца – 20,6 м/с. Чья скорость больше?
Ответ. Скорость скворца больше, т.к. 20,6м/с=74км/ч
2. Сокол-сапсан, преследуя добычу, пикирует со скоростью 300км/ч. Какой путь пролетает он за 5с?
Ответ. S=vt; 1ч=3600с; 1км=1000м; пролетает примерно417м.
3 . Скорость полета почтового голубя 1800м/мин. Выразить эту скорость в км/ч. Какой путь пролетает голубь за 3ч полета? Можно ли догнать голубя на автомобиле, имеющем среднюю скорость 60км/ч?
Ответ. 1800м/мин=1800*0,001км*60/ч=108км/ч
S=108км/ч*3ч=324км. Догнать невозможно, так как скорость автомобиля меньше.
4. Определите скорость движения в воде птицы чомги, которую охотники называют «нырком», так как она обладает изумительной способностью к нырянию, если известно, что она равномерно проплывает под водой за 3 мин примерно 500 м.
Ответ. v=S/t; v=500м/3мин=167м/мин
V. Птицы – наши помощники.
Учитель: Мы знаем о роли птиц в регуляции численности насекомых-вредителей. Именно птицы берегут наши леса.
Пение птиц дарит нам положительные эмоции. Известно лечебное воздействие птичьего пения. А голуби помогают людям поддерживать связь друг с другом.
Как вы думаете, помогли ли птицы людям в области науки и техники?
Да, и вот несколько примеров.
Немало легенд о крылатых героях оставили нам поэты и сказочники далекого прошлого. Наиболее известен миф об Икаре, сыне Дедала. Этот миф вам знаком по урокам истории. Познавая природу, человек не мог не обратить внимание на уникальное явление – полет птицы. Поэтому не случайно крылья в первую очередь были выбраны им в качестве возможного средства для полетов. Воздействие живого примера на сознание человека оказалось столь мощным, что на протяжении многих веков все помыслы о воздушном полете неразрывно связывались с машущими крыльями.
Многолетние наблюдения Леонардо да Винчи за полетом птиц и строением их крыльев позволили ему обосновать принцип аэродинамического управления. Леонардо принадлежит ряд замечательных конструктивных идей. Например, создание фюзеляжа (корпуса летательного аппарата) в форме лодки, использование поворотного хвостового оперения и убирающегося шасси.
Идеи Леонардо да Винчи использовали современные инженеры при конструировании самолетов, махолетов и ракет.
2. Как вы думаете, чем похожи дятел и …космонавт и как дятел сумел помочь космонавтам?
Ответ. Похожи тем, что и космонавт, и дятел испытывают большие перегрузки. Ускоренная киносъемка показала, что когда лесной дятел ищет насекомых или готовит дупло под гнездо, то его клюв может долбить дерево со скоростью при ударе 7 м/с. Полный цикл удара клювом длится всего 0,001 с или меньше, а перегрузка в конце каждого удара достигает 1000 g. Однако мозг птицы никогда не травмируется! Оказалось, что секрет заключается в том, что голова дятла перемещается только вперед и назад в одной плоскости, без каких-либо боковых смещений. В связи с этим у инженеров возникла идея улучшить защитные шлемы космонавтов, сконструировав их таким образом, чтобы ограничить боковые перемещения, что достигается специальными шейными скобами.
3. Калифорнийские специалисты-текстильщики пришли к своеобразному решению проблемы конструирования одежды. На основании исследования перьевого покрова птиц они создали двухслойный материал, у которого наружный слой из синтетических перьев. Почему одежду, сшитую из этого материала, можно носить летом и зимой?
Ответ. Одежда из такого материала годится для любого времени года. Дело в том, что внутренний слой материала электризуется в зависимости от температуры тела в большей или меньшей степени, а это влияет на положение перьев. Зимой одежда становится пушистой, а летом гладкой.
Учитель: Ребята, а чем мы можем помочь птицам?
Зимой для птиц страшнее голод, а не холод. Поэтому нужно подкармливать птиц, делать для них кормушки. Так ты спасешь хотя бы несколько птиц.
Не разоряйте птичьи гнезда.
Весной скворцы нуждаются в нашей помощи – им нужны условия для выведения потомства. Нам вполне под силу изготовить скворечники и установить их так, чтобы ничего не мешало птицам.
В лесу будьте крайне осторожны с огнем.
Быть экологически грамотными, получить знания, полезные для общества и природы, и осознанно применять эти знания при организации своей жизнедеятельности.
Подведение итогов, определение победителя.
В перерывах между разделами – задания «Отдыхаем»: скороговорки про птиц.
1 . Три сороки-тараторки
Тараторили на горке.
Говорили про торги,
Да про покупки.
Про крупу,
Да про подкрупки.
2 .С перепелом перепел
В паре пел.
Перепела перепел
Пе-ре-пел.
3. Дятел лечит древний дуб,
Добрый дятел дубу люб.
4. Дятел дерево долбит,
День-деньской кору дробит.
Дятел дуб долбил,
Да не додолбил.
5. Галдят грачата на галчат,
Глядят галчата на грачат.
Использованная литература
Ц.Б. Кац Биофизика на уроках физики. Москва, Просвещение, 1988.
Л.В. Тарасов Физика в природе. Москва, Просвещение, 1988.
В.М. Варикаш, Б.А. Кимбар, И.М. Варикаш Физика в живой природе. Минск, Народная асвета, 1984.
Я.И. Перельман Занимательная физика. кн.2. Москва, Наука, 1986.
Владимир Морозов Занимательная биоакустика. Москва, Знание, 1987.
Г.А. Фадеева, В.А. Попова Физика и экология. Волгоград, Учитель, 2005.
В. Волина. Игра – дело серьезное. Санкт-Петербург, Зенит, 1999.
Научно-методический журнал «Физика в школе». № 5, 2002. С. 49-50.
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.
2. Трубы водяного отопления, проходящие через подвал, обёртывают асбестом, войлоком или помещают и жёлоб с опилками. Зачем это делают?
3. Объясните причину того, что на морозе металлические предметы кажутся более холодными, чем деревянные. При какой температуре и металл, и дерево будут казаться одинаково нагретыми?
4. а) Почему почва, покрытая снегом, промерзает меньше, чем открытая? б) Какая почва прогреется солнцем быстрее - влажная или сухая?
5. а) Почему картофель, зарытый на зиму в яму, не замерзает? б) Что приносит вред растениям, особенно злаковым, - обильный снег или бесснежная зима?
6. Вы собрались завтракать и налили в стакан кофе. Но вас просят отлучиться на несколько минут. Чтобы кофе остался горячим, нужно налить в него молоко перед уходом или по возвращении?
7. С какой целью кусты малины в северных районах пригибают на зиму к земле?
8. Почему при варке варенья предпочитают пользоваться деревянной ложкой?
9. Что защищает от холода лучше - деревянная стена или слой снега такой же толщины?
10. а) Почему утки и другие водоплавающие птицы могут долгое время находиться в холодной воде и при этом не переохлаждаются? б) Объясните назначение толстого слоя подкожного жира у китов, тюленей и других животных, обитающих в водах полярных морей, в) Почему животные, живущие в холодных странах, имеют более густой волосяной покров, чем животные, обитающие в жарких странах?
11. Чем можно объяснить, что некоторые виды птиц (тетерева, глухари, куропатки и др.) зарываются в снежные сугробы и там проводят иногда несколько суток?
12. В холодильниках воздух охлаждается специальным составом, протекающим по трубам. Почему эти трубы (испаритель) помещают в верхней части холодильника?
13. Почему радиаторы водяного или парового отопления чаще всего располагают в нижней части комнаты?
14. В пробирках нагревают воздух и кипятят воду. Почему рука не ощущает высокой температуры?
15. В холодных помещениях у нас прежде всего мёрзнут ноги. Чем это можно объяснить?
16. В стихотворении «Кавказ» А. С. Пушкина есть такие слова: «Орёл, с отдалённой поднявшись вершины, парит неподвижно со мной наравне». Объясните, почему орлы, ястребы, коршуны и другие крупные птицы, парящие высоко в небе, могут держаться на одной высоте, не взмахивая при этом крыльями.
17. Известен случай, когда парашютист с раскрытым парашютом, вместо того чтобы опускаться вниз, стал подниматься вверх. Как это могло произойти?
18. Растения в низких местах наиболее часто подвергаются заморозкам. Чем это объяснить?
19. Почему в утренние и ночные часы полёт на самолёте происходит спокойнее - меньше болтает и укачивает?
20. Если в весенний солнечный день выйти в поле и посмотреть вдоль поверхности вспаханного участка земли, то все предметы за ним кажутся нам колеблющимися. Почему?
21. Объясните, каким образом воздух в комнате зимой охлаждается при открытой форточке.
22. В каком случае кастрюля с горячей водой остынет быстрее - когда кастрюлю поставили на лёд или когда лёд положили на крышку кастрюли?
23. Какие участки земной поверхности нагреваются в солнечную погоду сильнее - вспаханное поле или зелёный луг; сухая или увлажнённая почва? Почему?
24. Если весной или осенью ожидается ясная ночь, са¬довники разводят костры, чтобы дым обволакивал растения. Зачем?
25. Почему в ясные зимние ночи мороз сильнее, чем и облачную погоду?
26. Почему в практике земледелия влагоёмкие глинис¬тые почвы считают холодными, а маловлагоёмкие песчаные почвы - тёплыми?
27. Почему на искусственных спутниках Земли затруднен отвод тепла от нагретых предметов?
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.
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.