Четвертая группа животных которые освоили активный полет. Полёт насекомых. Перечень используемых источников информации
План реферата :
План реферата:
1) С древнейших времён..
2) Конструкции Леонардо Да Винчи
3) История развития
4) О модели махолёта Федотова
Введение:
С давних времен люди, мечтая подняться в небо и увидеть землю с высоты птичьего полета, завидовали пернатым созданиям, летающим под облаками.
Существуют различные легенды о полетах. Одной из таких мифических историй является сказание о Дедале и Икаре.
Одним из наиболее ранних свидетельств того, что люди пытались подняться в воздух на искусственных крыльях, является китайская рукопись «Цяньханьшу» («история ранней династии хань»)
Ещё в 4-3 веке до нашей эры в Китае был изобретен летательный аппарат с неподвижным крылом, названный воздушным змеем. Он удерживался в воздухе при помощи ветра и натянутой нити. Точно назвать имя его изобретателя не может ни один историк авиации, однако многие склоняются к мысли, что это были Мо Цзы, Гун Шубань или Хань Синь. Китайские воздушные змеи представляли собой плоскую бамбуковую раму, обтянутую бумагой. Довольно часто змеев делали в виде сказочных птиц или животных. Они находили применения в военных походах (для передачи сигналов), их также запускали для развлечений во время различных праздников.
Идея летательного аппарата с машущими крыльями зародилась в голове знаменитого английского философа и естествоиспытателя, монаха-францисканта Роджера Бэкона. В его труде «О тайных вещах в искусстве и природе», опубликованном в 1542 году говорилось: «Можно построить машины, сидя в которых, человек, вращая приспособление, приводящее в движение искусственные крылья, заставлял бы ударять их по воздуху, подобно птичьим». Однако это были лишь общие фразы. Бэкон не предложил конкретных проектов для реализации этой идеи.
Через два столетия летающими повозками заинтересовался легендарный Леонардо да Винчи, который, в отличие от Бэкона, детально разработал проекты нескольких типов орнитоптеров: с лежащим положением лётчика(1485-1487), орнитоптер-лодку(около 1487года), с вертикальным положением летчика(1495-1497)
Основная часть:
Конструкцию летательного аппарата, именуемого махолетом, разработал еще Леонардо да Винчи. Но до сих пор никому не удалось построить машину, которая, махая крыльями, могла бы подниматься в воздух. Даже создание маленькой модели-копии такой машины сопряжено с большими трудностями.
История авиации полна красивых легенд. Есть и такая. Когда Можайский принес в какую-то высокую научную инстанцию проект первого самолета, там недоуменно спросили: «А почему эта штуковина крыльями не машет? Как же она летать-то будет?» И проект отклонили. На том основании, что аппарат тяжелее воздуха (то есть не дирижабль и не воздушный шар) может оторваться от земли только в том случае, если будет работать крыльями подобно птице. Так тогда думали. И в общем-то никакой ошибки в этой концепции не было. Действительно, что может быть естественнее, чем полет птицы. Люди многое позаимствовали у природы – почему бы не попробовать и это? Не получилось. Позаимствовать несложно, а вот оформить технически... После десятков, если не сотен, неудачных попыток скопировать птичий полет создатели первых летательных аппаратов пришли к выводу, что самолетное крыло нельзя заставить одновременно создавать подъемную силу и тягу. То, что птица делает не задумываясь, посредством мышц, воспроизвести механизмами не удавалось. И тогда подъемную силу «отдали» крылу, а тягу – двигателю с пропеллером. Первые же опыты показали, что так гораздо проще, и основной путь развития авиации был определен на долгие годы вперед. Никаких птиц. Исследования в области машущего полета оказались задвинутыми на задворки; нет, тупиковыми их не называли, но считали чем-то экзотическим – «в принципе возможно, но технически неосуществимо».
Разработки махолетов стали уделом одиночек, в основном самодельщиков. Их было много, в СССР после войны был даже создан Комитет машущего полета при ДОСААФ. Каждый пытался сделать свой аппарат. Из сотен построенных машущекрылых моделей ни одна так и не взлетела. Правда, в разные годы некоторым самодельщикам удавалось создать модели, запускаемые броском в восходящий поток воздуха, и даже пилотируемые планеры, но это махолетами не считалось: чтобы машущий полет признали полноценным, аппарат должен был все стадии (взлет, курс, посадка) проходить, махая крыльями, а это никак не получалось. Энтузиазм постепенно иссяк.
И вдруг успех. В 981 году в печати появились сообщения о том, что в Москве построена модель, способная самостоятельно взлетать, летать и садиться, как птица. Авиастроительный мир встрепенулся. Неужели полноценный машущий полет наконец-то осуществлен? Да. Такое не происходит ни с того, ни с сего. Аппарат, о котором идет речь, – не случайная удача, улыбнувшаяся вдруг дилетанту-самодельщику, а плод многолетнего труда профессионалов.
В 1976 году в Московском авиационном институте была организована опытно-конструкторская группа по исследованию машущего полета, которую возглавил в ту пору доцент, а ныне профессор Валентин Киселев.
Работу финансировали сразу несколько авиационных структур, в том числе мощнейшие в те времена ЦАГИ и ВВС, что позволило с первых же этапов проводить исследования на хорошей технической базе. Несколько стендов сотрудники группы соорудили сами специально под тему. Солидная теоретическая подкладка, профессионально выполненные расчеты, многократные испытания каждого агрегата – все говорило о том, что более чем полувековая эпоха дилетантства в исследованиях машущего полета закончилась.
Через 5 лет Киселев выкатил на летное поле первую модель махолета. Это был кордовый аппарат массой 7 кг и размахом крыльев 3,3 м, оснащенный электрическим двигателем мощностью 0,33 л. с., питание к которому подавалось по проводу. Расчетная скорость полета – 35v40 км/ч при частоте махов 1,4v1,5 в секунду.
По команде с пульта модель замахала крыльями, оторвалась от земли (по словам Киселева, все остолбенели, хотя в общем-то ничего другого и не ожидали) и принялась наматывать круги на трехметровой высоте. Полетала. Приземлилась. Все прошло нормально.
Развивая тему, сотрудники группы Киселева постепенно перешли от кордовых моделей к автономным. Новые 10-килограммовые аппараты «Стрекоза» и «Журавль» оснащались 2-тактными авиамодельными двигателями и радиоуправлением. Это существенно повышало информативность испытаний; появилась возможность пробовать махолеты не только в простом курсовом полете, но и в некоторых несложных фигурах пилотажа. Однако возникли проблемы. Начинка отечественного производства оказалась отвратительной: двигатели часто отказывали, да и радиоуправление надежностью не отличалось – в городе очень много помех (полеты проводились на бывшем Центральном аэродроме, что на Ходынке), впрочем, и в окрестностях Москвы трудно отыскать местечко с чистым эфиром. Несколько моделей разбилось – виной тому были моторы и электроника; собственно же махолеты особых проблем не создавали.
Модельная стадия разработки махолетов убедительно показала, что машущий полет не только «в принципе возможен», но и технически осуществим. Настало время подумать об аппарате, пилотируемом человеком. И к началу 90-х годов группа Киселева разработала несколько таких махолетов. На бумаге, в чертежах. Осталась самая малость: сделать их и поднять в воздух. И тут в планы Киселева вмешались политика с экономикой.
«Союз нерушимый» развалился. Все налаженные связи оборвались, государственное финансирование прекратилось. Научные и промышленные структуры, интересовавшиеся разработками Киселева, больше были озабочены собственным спасением, а не чьими-то пусть многообещающими, но не сулящими быстрой коммерческой отдачи идеями.
Киселев предпринял массу отчаянных попыток сотрудничества с новой буржуазией, но ему не повезло: три частные фирмы, взявшиеся, было, за постройку аппаратов, обанкротились, толком не успев ничего сделать.
Пилотируемые человеком махолеты так и остались только на бумаге.
Законный вопрос: а нужны ли они вообще? И если да, то зачем? Человечество уже век успешно летает, не махая крыльями. Классический, проверенный многолетней практикой принцип «тягу – двигателю, подъемную силу - крылу» для самолетов работает великолепно, так ли уж необходимо изобретать что-то еще? Попробуем ответить, ссылаясь на опыт Киселева.
Махолет, чьи крылья создают не только подъемную силу, но и тягу, хорош в первую очередь тем, что не требует взлетно-посадочных полос. Да, но, уместно такое возражение, существуют ведь вертолеты и самолеты вертикального взлета и посадки (ВВП), которые взлетают без разбега и садятся в точку. Чем они плохи?
Немного теории. Очень поверхностно, не влезая в научные дебри.
Подъемную силу при вертикальном взлете и вертикальной же посадке можно создать двумя способами. Первый - отбрасывая вниз большие массы воздуха с малыми скоростями (вертолет). Второй – отбрасывая вниз малые массы воздуха с большими скоростями (самолет ВВП; у него это достигается либо специальными подъемными двигателями, либо отклонением вектора тяги маршевых двигателей). Первый способ более экономичен, поскольку, чем меньше скорость и больше масса отбрасываемого воздуха, тем меньшая требуется мощность для вертикального взлета, соответственно, тем меньше сжигается топлива.
Вертолет исключительно хорош при взлете и посадке. Ротор, или, как его еще называют, несущий винт, омахивает огромную площадь, подъемная сила создается легко при небольших затратах мощности. А вот в горизонтальном полете этот аппарат оставляет желать лучшего. Аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению воздуха) вертолетного несущего винта, работающего в плоскости, близкой к горизонтальной, в среднем в 3 раза ниже, чем у самолетного крыла. И потому у вертолета низкие летные характеристики, в частности, невысокая скорость и небольшая дальность полета.
У самолета ВВП – свои проблемы.
С горизонтальным полетом все в порядке, как и у любого самолета, а вот взлет и посадка очень энергоемкие. На этих фазах сжигается почти все топливо; на выполнение же собственно полетного задания остается совсем немного. Первый самолет ВВП, английский Harrier, долгое время считавшийся лучшим в своем классе, имел радиус действия всего 160 км. Для боевой реактивной машины это ничтожно мало. Кстати, когда ВМС разных стран стали оснащать подобными аппаратами, было отмечено много случаев увольнения летчиков в отставку: перспектива остаться без топлива где-нибудь посреди океана мало кого устраивала. Пилоты с американских авианосцев мрачно шутили: «Адмиралы получили прекрасную возможность гонять нас за пивом в береговой магазин – ни на что другое эти летающие гробы не способны».
Со временем отношение к самолетам ВВП изменилось: появились более совершенные разработки, дальность действия увеличилась. Но многие проблемы до сих пор не решены: увеличение емкости топливных баков, и, соответственно, общего веса машины приводит к уменьшению полезной (в частности, бомбовой) нагрузки. Выбор возможностей небогат. Либо летай во всеоружии, но недалеко, либо далеко, но с неполным боекомплектом.
Периодически предпринимаются попытки вывести гибрид самолета с вертолетом. Есть, например, самолет ВВП V-22 фирмы Bell – у него на концах крыльев установлены двигатели с трехлопастными винтами, работающие как маршевые в горизонтальном полете и как подъемные при взлете-посадке (двигатели поворачиваются на определенный угол). Такая конструкция тоже далека от совершенства. Чтобы избежать резкого дисбаланса при внезапном отказе одного из двигателей (это очень неприятно в горизонтальном полете и почти всегда смертельно на взлете-посадке), их приходится соединять длинным, почти равным размаху крыльев, синхронизирующим валом, что очень утяжеляет аппарат. Оба винта вместе омахивают как минимум вдвое меньшую площадь, чем пропеллер одновинтового вертолета (при равенстве габаритов сравниваемых аппаратов), следовательно, потребная для взлета и посадки мощность у рассматриваемой машины выше, а значит, расход топлива больше.
Есть и другие недостатки. Например, при использовании винтов в качестве движителей в горизонтальном полете их кпд резко падает – поэтому максимальная скорость такого аппарата далека от той, какую можно было бы ожидать при столь высоких энергозатратах. Кроме того, при взлете-посадке крыло не используется, а только мешает струе, создаваемой винтом. В общем, проблем много.
Махолет лишен всех перечисленных недостатков. Он соединяет в себе преимущества самолета и вертолета. По крайней мере, в теории.
Группа Киселева, как уже говорилось, разработала несколько махолетов различных типов. На примере одного из них покажем, что представляет собой машущекрылый летательный аппарат и как он работает.
С виду это обычный самолет. В его фюзеляже установлена специальная поворотная платформа, на которой шарнирно закреплены крылья. Реактивная струя двигателей при вертикальных взлете и посадке направляется на турбину привода гидронасоса, управляющего хитроумной системой связанных с крыльями гидроцилиндров. Они являются «мышцами», приводящими в движение крылья, которые машут в разных плоскостях – в зависимости от того, в каком режиме работает Махолет: висения или горизонтального полета.
В хвостовом оперении махолета есть специальный привод установки стабилизатора по потоку, отбрасываемому машущим крылом.
В горизонтальном полете машущие крылья можно остановить – для этого предусмотрены специальные запирающие замки. В таком режиме махолет ничем не отличается от обычного самолета – крылья в неподвижном состоянии используются только для создания подъемной силы; тяга обеспечивается реактивной струей, направляемой уже не на турбину гидронасоса, а через обычные сопла назад.
Таким образом, на разных фазах полета можно выбирать наиболее выгодный режим: машущий полет на взлете-посадке, обычный – на горизонтальном курсе.
Расчеты показывают, что махолет может в горизонтальном машущем полете развивать скорость в 1,5-2 раза большую, чем вертолет той же массы, габаритов и грузоподъемности, и летать в 1,5 раза дальше (при остановленном крыле скорость больше в 3-4 раза). Если же сравнивать его с рассмотренным выше самолетом типа V-22, то теоретически скорость махолета на 40v50% выше, кроме того, вес пустого аппарата на 15v20% меньше.
При исследованиях принципов машущего полета Киселев столкнулся со множеством проблем, на первый взгляд казавшихся неразрешимыми. Предварительные расчеты убеждали в том, что машущий полет... вообще невозможен: слишком большая частота махания требовалась, чтобы создать потребные для взлета аэродинамические силы, должны были возникнуть огромные инерционные перегрузки, какое крыло не выдержит.
Наблюдения за полетами птиц поначалу вообще сбивали исследователей с толку. Выяснилось, например, что по законам элементарной аэродинамики утка вообще летать не должна: нагрузка на крыло (отношение полного веса птицы к площади крыла) очень велика. Однако летает. Или, допустим, майский жук. Он тоже по всем законам неполетоспособен – это подробно описано в популярной литературе для авиамоделистов как некий природный казус.
Долгое время считалось, что несущие способности птичьего крыла во многом обеспечиваются перьевой структурой: желобками, бороздками, волосками, наполненными воздухом полостями и т. д., следовательно, сделать механическое подобие такого крыла невозможно (представьте себе самолет с перьями – весело, не правда ли?). Однако результаты экспериментов группы Киселева опровергли эту точку зрения. Машущее крыло способно создавать потребные аэродинамические силы независимо от того, какое оно – перьевое, перепончатое (летучие мыши) или имеющее вид плоской пластины с желобками (насекомые). Значит, дело не в перьях – они, как считает Киселев, нужны птице в основном для удобства складывания крыльев, для сохранения тепла и для обеспечения легкости «конструкции». И не в желобках – насекомые прекрасно летали с вымазанными краской крыльями. А в чем же?
Когда прообраз первого махолета замахал крыльями на стенде, исследователи с удивлением обнаружили, что, несмотря на неспособность двигателя довести частоту махов до расчетных значений, создаваемые аэродинамические силы не только достаточны для взлета, но и выше потребных! Парадокс. Чтобы «поверить глазам своим», пришлось сделать специальную установку в аэродинамической трубе, позволяющую резко вводить крыло в воздушный поток. Выяснилось, что сначала аэродинамические силы резко возрастают, а затем убывают до установления стационарного обтекания. Этот силовой скачок, обусловленный нестационарностью обтекания машущего крыла, очень полезен на малых скоростях и в режиме висения – он-то и делает возможным вертикальный взлет при минимальных затратах энергии. С ростом горизонтальной скорости аппарата несущие свойства машущего крыла падают, но подъемную силу легко сохранить за счет увеличения скоростного напора воздуха.
И еще один важнейший вывод из описанного явления. Поскольку нестационарность потока помогает создавать большие аэродинамические силы, позволяющие снизить потребные скорости махов, то вредные, разрушающие крыло инерционные нагрузки соответственно невелики. К тому же нагружающие крыло аэродинамические и инерционные силы, как выяснилось, при махании не складываются, так как действуют в разные моменты времени. Первые максимальны в средних положениях, когда и скорость маха максимальна, а вторые – в крайних, когда крыло меняет направление движения. И полезные аэродинамические, как правило, больше вредных инерционных, а значит, именно по ним должен осуществляться расчет крыла на прочность. Так что опасения насчет неизбежности разрушения конструкции от больших инерционных перегрузок беспочвенны.
Очень много сомнений оппоненты высказывали насчет возможностей увеличить вес и размеры машущекрылых аппаратов. Дескать, почти невесомая модель – это одно, а вот машина с людьми и грузом... Киселев провел массу испытаний геометрически подобных крыльев, размерами отличающихся друг от друга в 5 раз, и подтвердил теорию о том, что подъемная сила «обгоняет» рост веса аппарата – следовательно, никаких принципиальных причин для ограничения размеров махолетов нет. Сейчас в архиве группы Киселева лежит проект так называемого бизнес-махолета массой 5600 кг, способного перевозить 10 пассажиров на 1000 км или 5 пассажиров на 1800 км с крейсерской скоростью 800 км/ч. Есть и другие разработки, тоже далеко не «невесомые».
И по всем выкладкам, подтвержденным стендовыми испытаниями, эти машины должны вполне нормально летать.
Справедливости ради следует отметить, что в своих изысканиях Киселев далеко не одинок. Изучением машущего полета активно занимаются и на Западе. Очень интересны разработки американца Пола Маккриди - талантливейшего конструктора, прославившегося созданием различных нетрадиционных средств передвижения по воздуху, таких, например, как самолет с мускульным приводом (в 1979 году мускулов летчика хватило на перелет через Ла-Манш) или самолет с электродвигателем, питающимся от установленных на крыльях солнечных батарей. В середине 80-х годов при мощнейшей поддержке коммерческих структур Маккриди построил нечто машущекрылое, внешне напоминающее птерозавра. Пресса поспешила окрестить аппарат махолетом.
Созданная Маккриди модель не умела взлетать сама. Ее запускали лебедкой. Включение крыла в машущий режим поначалу приводило к беспорядочному падению (при выполнении первого демонстрационного полета в мае 1986 года модель стоимостью $700 тыс. вдребезги разбилась о бетон аэродрома; пресса не замедлила поиздеваться: «Теперь понятно, как вымерли птерозавры»). Потом аппарат научили худо-бедно летать, махая крыльями; публика, видя это на авиашоу, визжала от восторга, но... Специалисты не признали трюк полноценным машущим полетом. Медленные, малоамплитудные, «робкие» движения крыльями в лучшем случае не препятствовали планированию. Ни о наборе высоты, ни об увеличении скорости даже речи не было. Ну машет модель крыльями и машет. А могла бы и не махать – результат был бы тот же. Киселев впоследствии проанализировал работу аппарата Маккриди и пришел к выводу, что потребных для взлета аэродинамических сил его крылья не создают.
Известны и другие разработки. Киселев переписывается с Аэрокосмическим институтом Торонтского университета, где в 1992 году была создана и успешно испытана модель машущекрылого аппарата, названного орнитоптером. Он запускается броском в восходящий поток воздуха, а сам взлетать не может. Кроме того, крутильные движения крыла осуществляются только за счет его гибкости (примерно так плавают скаты и камбалы), а не поворотами профиля крыла на потребные углы. Подбор параметров гибкости очень сложен. Крыло получается «однорежимным»; чуть меняются внешние условия – и полет становится проблематичным. Модель весит 3,4 кг и, судя по всему, существенно увеличить ее массу нереально (напомним, что киселевские уже летавшие «Стрекоза» и «Журавль» весят по 10 кг).
Киселев регулярно знакомит заокеанских коллег со своими разработками, а они его – со своими. Друг у друга идеи не заимствуют, каждый идет своим, как ему кажется, единственно верным путем.
В общем, периодически в мире строятся машущекрылые аппараты. Публикации в прессе позволяют говорить о приоритете российской науки в исследованиях машущего полета. Америка пока считает за откровение то, что для нас давно пройденный этап. Конечно, вполне возможно, что в каких-нибудь структурах вроде NASA уже создано что-либо, претендующее называться полноценным махолетом, но это нам неизвестно. Если же отталкиваться лишь от той информации, которая открыта для всех, можно утверждать: в этой области науки мы пока опережаем Запад лет на десять, а то и больше.
Как говорится, на этой радостной ноте можно было бы и закончить. Но радости что-то не ощущается. Мучает вполне уместный вопрос: если мы такие умные, если мы впереди планеты всей, то почему до сих пор на махолетах не летаем?
Причина до банального проста: деньги. Вернее, их отсутствие. На постройку первого в мире пилотируемого махолета по расчетам Киселева нужно около $100 тыс. Сумма в общем-то не ахти какая, но и ее пока никак не наскребут – видимо, людям науки трудновато ориентироваться в извивах нашей сумасшедшей экономики.
Аэродинамика, надо думать, проще.
Первый пилотируемый аппарат (для начала Киселев предлагает сделать машину с размахом крыльев 7,1 м и взлетным весом 450 кг, способную подниматься на высоту 4500 м и летать со скоростью 150 км/ч) можно построить и испытать за год-полтора. А потом... Потом возможны варианты его коммерческой реализации, позволяющей получить деньги на строительство более сложных машин.
Вариантов масса.
Во-первых, выставки. Только в США за год проводится более 400 авиашоу разных рангов, и любая экзотика проходит там на ура. Лучшую рекламу трудно придумать.
Во-вторых, прямая реализация. Лондонский музей науки и промышленности недавно обратился к Киселеву с просьбой продать первый махолет для экспозиции. А всемирно известная фирма Sotheby-s выразила согласие на аукционную продажу махолетов, естественно, когда те будут построены.
В общем, спрос уже есть. Нет только предложения.
Много ли на этом выручишь? Думаю, немало. Маккриди продал свою модель вашингтонскому авиамузею за $3 млн., а ведь это не полноценный махолет, а лишь его имитация. Представьте себе, за сколько могут купить настоящий махолет, пилотируемый человеком, да к тому же первый в мире.
Увы, пока все это выглядит, как разговоры в пользу бедных. Всем безумно интересно, но денег никто не дает.
Может быть, боятся – а вдруг не полетит? Что ж, риск, безусловно, есть. Но ведь кто не рискует...
Пока Киселев ищет деньги на постройку первого махолета, техническая база исследований потихоньку приходит в упадок. Не так давно, например, разворовали ангар, где хранятся модели. С аппаратов сняли все материально ценное (кстати, именно этим объясняется некоторая убогость иллюстраций к этой статье – фотографировать нечего, аппараты раскурочены). Символично для нашей науки, согласитесь.
Махолет рано или поздно кто-нибудь построит. Жаль, если это будет не в России, ведь мы в этой области первые. Пока. Запад с его технической базой и финансами долго рассусоливать не станет – там, судя по публикациям, теория уже на подходе, глядишь, скоро и практический результат будет. И когда американцы полетят, махая крылышками, на вопрос «Почему не мы?» можно будет отвечать, разводя руками: «Потому что в кузнице не было гвоздя...» Или, точнее, потому что в кошельке не нашлось рубля.
Заключение:
Существует два типа моделей махолета: центропланные, центральная часть крыльев которых неподвижна по отношению к корпусу, и бесцентропланные с движущимися крыльями. Второй тип махолета - наиболее интересный по конструкции и самый сложный в изготовлении.
Модель махолета В. Федотова уверенно набирает высоту. Крутящий момент на валу ее приводного механизма превышает 500 Н ″ м. А крутящий момент винта для полета самолета такого же размера и массы должен быть в 20-25 раз меньше. Отсюда следует вывод: пучки резиновых нитей в моделях махолетов должны работать не на скручивание, а на растяжение. Только при этом условии резиновый двигатель допустимой массы без особых дополнительных устройств способен создавать на валу достаточный крутящий момент. Однако такой способ использования резинового двигателя обладает существенным недостатком. Сильно растянутый жгут резины очень быстро расходует всю запасенную механическую энергию, и модель махолета успевает сделать 12-13 взмахов крыльями и пролететь по горизонтали всего 5-6 м.
На модели махолета В. Федотова установлен резиновый двигатель, пучки резиновых нитей которого работают на растяжение. Это обстоятельство значительно сокращает, как уже отмечалось прежде, продолжительность полета. Нельзя ли сделать полет более продолжительным? Можно, если заставить пучки резиновых нитей работать на скручивание - тогда количество взмахов крыльями увеличится более, чем в десять раз. Выигрыш существенный. Только достигается он ценой значительного усложнения всей конструкции махолета. Этим и объясняется, почему таких моделей создано еще не так много. Основные направления, по которым здесь следует идти,- снижение массы модели, конструирование более совершенного (и в то же время простого) механического привода, создающего в различные фазы вращения оси разные по величине крутящие моменты. И последнее. Размышляя над тем, какой махолет лучше, не забывайте, что природа неистощима в своих «технических» находках, помогающих живым существам наилучшим образом приспособиться к среде обитания. Вот почему использование «патентов» природы помогает создавать еще более совершенные летательные аппараты.
Перечень используемых источников информации:
ДОСААФ - Добровольное Общество Содействия Андропову Алиеву Федорчуку
журнал "мотор"
? Рассмотрим разные типы полета.Планирование
Получив начальную скорость движения от прыжка или активного полета, насекомое может пролететь некоторое расстояние на распростертых и чуть отведенных назад неподвижных крыльях (рис. 86).
Вы могли видеть, как вспугнутая саранча-кобылка выпры-гивает из травы, с треском разгоняется вперед и вверх, быстро работая крыльями, а затем снижается на неподвижных крыльях и, пролетев 2—3 метра, исчезает в траве.
Набегающий на крыло воздух создает подъемную силу, урав-новешивающую часть силы притяжения Земли, и замедляет падение. Из-за своих малых размеров насекомые не могут пла-нировать долго.
Парение
Парение насекомых (рис. 87)возможно в том случае, когда в воз-духе есть восходящие вверх потоки воздуха. Они образу-ются над нагретыми солнцем предметами, а также при столкновении ветра с препятствием — стеной, скалой, опушкой леса. Попав в восходящий поток, насекомое ши-роко раскрывает крылья, и восходящий воздух несет его вверх. Часть подъемной силы воздуха насекомое исполь-зует для движения вперед.
Если бы мы вошли внутрь крылоносного сегмента — «ма-шинного зала» летящего насекомого, то увидели бы следующую картину. По бокам зала от неподвижного пола к подвижному потолку протянуты две толстые колонны — спинно-брюшные мышцы. Под потолком вдоль зала проходят, как две толстых балки, продольные мышцы. От них пышет жаром — так сильно они разогрелись от работы. Чтобы поднять крылья вверх и отвести их назад, сокращаются спинно-брюшные мышцы. Они тянут потолок (спинку грудного отдела) вниз, а та давит вниз на внутренний кончик крыла. Крыло опирается на боковую стенку (ось вращения рычага), и поэтому его длинный наружный конец поднимается вверх. Продольные мышцы при этом рас-слаблены. Чтобы опустить крыло вниз и вперед, насекомое рас-слабляет спинно-брюшные мышцы и сокращает продольные. Они прогибают потолок вверх, тянут за собой вверх короткое плечо крыла, а длинное плечо опускается вниз.
Крупные бабочки делают около 5 взмахов в секунду, саранча — около 20, бражник — около 50. Их полет ка-жется нам бесшумным. Комнатная муха делает около 100—200 взмахов в секунду, и ее полет временами чуть слышен. При полете насекомого с более частыми взмахами крыльев (например, у
Крылья и полет насекомых реферат
Рассмотрим горизонтальный поток воздуха относительно наклонной поверхности крыла в том случае, когда его передняя кромка приподнята над задней. В этом смысле крыло действует как несущая плоскость. Поток воздуха над крылом встречает меньшее сопротивление и развивает большую скорость, чем под крылом (рис. 17.52). В результате давление воздуха над крылом уменьшается, а под крылом - увеличивается. Так возникает подъемная сила . Ее величина зависит от размеров и формы крыла, угла его наклона по отношению к длинной оси тела (угол атаки) и скорости полета. В воздухе на тело птицы действует еще одна сила, которая стремится отвести крыло назад в направлении воздушного потока; она называется лобовым , или аэродинамическим, сопротивлением . Механическая эффективность крыла зависит от его способности развивать большую подъемную силу при небольшом относительном росте лобового сопротивления.
Различают три основных типа полета: машущий, парящий (планирующий) и зависание.
Машущий полет
У таких птиц, как голубь, у которых крылья делают около двух взмахов в секунду, основная мощность развивается при опускании крыльев. Это происходит благодаря сокращению сильно развитых больших грудных мышц , которые одним концом прикреплены к плечевой кости, а другим - к килю грудины. При отрыве от земли крыло в начале маха опускается почти вертикально и его передняя кромка располагается ниже задней. Маховые перья 1-го порядка отклоняются вверх под давлением воздуха. Они плотно сомкнуты, чтобы обеспечить максимальное сопротивление воздуху, а значит, и максимальную подъемную силу. Затем по мере опускания крыло движется вперед и поворачивается таким образом, что его передняя кромка отклоняется вверх. В этом положении крыло создает силу, поднимающую корпус. Воздух, проходящий между маховыми перьями, стремится разделить их и отогнуть кверху (рис. 17.53).
Подъем крыла начинается тогда, когда крыло еще полностью не опущено. Внутренняя часть предплечья резко поднимается вверх и назад, и при этом передняя кромка крыла находится в наклонном положении над задней. Это делают малые грудные мышцы, прикрепленные к дорсальной поверхности плечевой кости и к грудине. При движении крыла вверх оно сгибается в запястье и кисть поворачивается таким образом, что маховые 1-го порядка резко отводятся назад и вверх до того момента, пока все крыло в какой-то мере не выпрямится над телом птицы. Во время этого движения маховые 1-го порядка разъединяются, так что воздух проходит между ними и его сопротивление уменьшается. Движением этих перьев назад в основном и создается мощный толчок, который птица использует для поступательного движения вперед. Еще до того момента, как маховые 1-го порядка поднимутся до высшей точки, снова начинают сокращаться большие грудные мышцы, опускающие крылья, и весь процесс повторяется.
При длительном машущем полете работа крыльев заметно видоизменяется и требует гораздо меньше энергии, чем при отрыве от земли. Взмахи при этом не такие сильные, крылья не соприкасаются за спиной, и нет движения вперед на заключительном этапе опускания крыльев. Крылья обычно выпрямлены, и махи вверх и вниз происходят в запястье (в сочленении костей предплечья и запястья). Активного отведения кисти вверх и назад не происходит - крыло поднимается пассивно в результате давления воздуха на его нижнюю поверхность.
По окончании полета птица приземляется, опуская и распластывая хвост, который одновременно служит тормозом и источником подъемной силы. После создания этой силы ноги опускаются, и птица прекращает движение. Хвост в полете служит также рулем, и устойчивость птицы обеспечивается нервным контролем при участии полукружных каналов. В них возникают импульсы, которые стимулируют вспомогательные мышцы, изменяющие форму и положение крыльев и соотношение между их взмахами.
Разные птицы летают с разными скоростями. Эти различия обусловлены формой крыльев и ее изменениями в полете, а также частотой взмахов. Рис. 17.54 позволяет сравнить крылья быстрых летунов (таких, как стрижи) и медленных (как воробьи).
17.9. Перечислите характерные особенности стрижа, позволяющие ему быстро летать.
Планирующий и парящий полет
При планировании крылья неподвижно распластаны под углом 90° относительно тела, и птица постепенно теряет высоту. Когда птица, планируя, опускается, на нее действует сила тяжести, которую можно разложить на две составляющие, одна из которых (тяга) направлена вперед по линии полета, а другая - вниз под прямым углом к первой (рис. 17.55). С увеличением скорости планирования эту вторую силу уравновешивает возрастающая подъемная сила, а тягу уравновешивает лобовое сопротивление, и с этого момента птица планирует с постоянной скоростью. Скорость и угол скольжения зависят от размеров, формы и угла атаки крыльев и от веса птицы.
Птицы, обитающие на суше, используют при планировании восходящие термальные потоки воздуха, которые возникают, когда горизонтальный поток, встретив преграду (например, гору), отклоняется вверх или когда теплый воздух вытесняется холодным и поднимается вверх; так происходит, например, над городами. Птицы, имеющие легкое тело и широкие крылья, такие как канюки и орлы, искусно используют термальные потоки и могут постепенно набирать высоту, делая небольшие круги. Планирование без потери высоты и даже с подъемом называется парением.
У морских птиц, например альбатросов, форма тела и крыльев иная, и они парят по-другому (рис. 17.56). У альбатроса большое тело и очень длинные узкие крылья, и он использует порывы ветра над волнами. За время скольжения против ветра вверх он поднимается на высоту около 7-10 метров. Затем он разворачивается по ветру и с большой скоростью на отогнутых назад крыльях спускается вниз. В конце скольжения вниз альбатрос описывает дугу, возвращаясь во встречный поток воздуха с крыльями, вынесенными несколько вперед. Такое положение крыльев и быстрое движение вперед относительно воздуха обеспечивают подъемную силу, необходимую для набора высоты перед очередным спуском. Альбатрос способен также парить, покрывая большие расстояния параллельно гребням волн; при этом он использует небольшие восходящие потоки воздуха от волн, подобно тому как сухопутные птицы используют потоки над горными склонами.
Зависающий полет
При зависании птица машет крыльями, но при этом остается на одном месте. Крылья совершают около 50 взмахов в секунду, и развиваемая ими тяга, направленная вверх, уравновешивает вес тела. Птицы, способные зависать, имеют очень сильно развитые летательные мышцы (1/3 от веса тела). Их крылья могут наклоняться почти под любым углом. Большая часть маховых перьев-1-го порядка (маховых 2-го порядка только шесть), и они используются для создания тяги.
Окончание в рот - это одна из безумно популярных предложений интимного характера, которая намеревает выдерживание обычных поз, её способны совершить индивидуалки с сайта
Полет птиц можно разделить на две основные категории: это парящий, или пассивный, полет и машущий, или активный, полет. При парении птица движется в воздухе продолжительное время, не делая взмахов крыльями и пользуясь восходящими воздушными потоками, которые образуются вследствие неравномерного нагрева поверхности земли солнцем. Скорость движения этих воздушных потоков определяет высоту полета птицы.
Если двигающийся вверх воздушный поток поднимается со скоростью, равной скорости падения птицы, то птица может парить на одном уровне; если же воздух поднимается со скоростью, превосходящей скорость падения птицы, то последняя поднимается вверх. Используя различия в скорости двух потоков воздуха, неравномерное действие ветра - его усиление и ослабление, перемены направления ветра, пульсации воздуха, - парящая птица может не только часами держаться в воздухе, не тратя особых усилий, но и подниматься и опускаться. Сухопутные парящие виды, например питающиеся падалью грифы и др., пользуются обычно лишь восходящими потоками воздуха. Морские же парящие формы - альбатросы, буревестники, питающиеся мелкими беспозвоночными и вынужденные часто опускаться к воде и подниматься,- используют обычно эффект действия ветра, различия в скорости воздушных потоков, пульсации воздуха и завихрения.
Для парящих птиц характерны крупные размеры, длинные крылья, длинные плечо и предплечье (большое развитие несущей поверхности второстепенных маховых, число которых у грифов достигает 19-20, а у альбатросов даже 37), довольно короткая кисть, относительно малые размеры сердца (так как пассивный полет не требует усиленной работы мускулатуры). Крыло бывает то широким (наземные виды), то узким (морские виды). Машущий полет сложнее и разнообразнее парящего. Стоит сравнить полет стрижа, полет медленно двигающей крыльями вороны, трепещущую в воздухе пустельгу и стремительно бросающегося на добычу сапсана, быстро летящую утку и тяжело хлопающего крыльями фазана, чтобы убедиться в справедливости этого замечания. Существуют различные и довольно противоречивые попытки классификации различных типов машущего полета, останавливаться на которых мы здесь не будем.
Птица обычно пользуется не одним типом полета, а комбинирует их в зависимости от обстоятельств. При этом надо иметь в виду и то, что летательные движения состоят из последовательно сменяющих одна другую фаз. За взмахами крыльев следуют фазы, когда крыло не производит гребных движений: это скользящий полет, или парение. Таким полетом, пользуются преимущественно птицы средних и крупных размеров, с достаточным весом. Мелкие же птицы обычно все время энергично работают крыльями или временами могут складывать крылья, прижимая их к туловищу. Последнее особенно характерно для вьюрковых птиц. Ускорение в полете достигается птицей путем увеличения весовой нагрузки несущей поверхности, для чего необходимо несколько сложить крылья. Медленно летящая птица имеет полностью развернутый хвост и распростертые крылья. По мере ускорения движения она несколько складывает маховые перья, причем у всех хорошо летающих птиц они образуют сплошную поверхность (у сокола, чайки, стрижа, ласточки и т. д.).
Большое значение для скорости движения птиц имеет ветер . Вообще говоря, для полета благоприятен попутный или несколько боковой ветер, но для взлета и посадки благоприятен встречный ветер. Попутный ветер при полете способствует увеличению скорости полета птицы. Увеличение это довольно значительно: например, по наблюдениям над пеликанами в Калифорнии установлено, что увеличение скорости движения воздуха от фактического безветрия до 90 км/час способствовало изменению скорости полета пеликанов с 25 до 40 км/час. Однако сильный попутный ветер требует от птицы больших усилий для сохранения возможности активного управления полетом.
Продолжительность и быстрота полета птиц очень велики, хотя обычно в этом отношении распространены преувеличенные представления. Самое явление перелетов показывает, что птицы могут совершать длительные передвижения. Европейские ласточки, например, зимуют в тропической Африке, а некоторые кулики, гнездящиеся в Северо-Восточной Сибири, улетают на зиму в Новую Зеландию и в Австралию. Скорость и высота полета птиц значительны, хотя уже давно превзойдены современными летательными машинами. Однако машущее крыло птицы дает ей много преимуществ, в первую очередь в маневренности, по сравнению с современными самолетами.
Современные технические средства (наблюдения с самолетов, скоростная съемка, радары и т. д.) позволили точнее определить скорости полета птиц. Выяснилось, что при перелетах птицы в среднем используют большие скорости, чем при перемещениях вне сезона миграций. Грачи на перелетах перемещаются со скоростью 65 км/час. Средняя же скорость их полета вне времени миграций - в гнездовой период и на зимовке - составляет примерно 48 км/час. Скворцы на миграциях летят со скоростью 70-80 км/час, в другое время 45-48 км/час. По наблюдениям с самолетов установлено, что средняя скорость перемещения птиц при перелетах колеблется между 50 и 90 км/час. Так, серые журавли, серебристые чайки, большие морские чайки летят со скоростью 50 км/час, зяблики, чижи - 55 км/час, ласточки-касатки - 55-60 км/час, дикие гуси (разные виды) - 70-90 км/час, свиязи - 75-85 км/час, кулики (разные виды) - в среднем около 90 км/час. Наибольшая скорость отмечена у черного стрижа - 110-150 км/час. Эти цифры относятся к весенним перелетам, проходящим наиболее напряженно и, вероятно, отражающим наибольшие скорости полета птиц. Осенние миграции протекают значительно медленнее, например скорости полета аистов на осенних миграциях составляют едва ли половину скорости их весеннего движения.
Вопрос о высоте полета птиц долгое время оставался неясным. Старое представление о том, что передвижение птиц проходит, как правило, на больших высотах (500-1600 м над уровнем моря), вызывало сомнения. Однако астрономические наблюдения показали, что, по всей вероятности, максимальная высота полета птиц достигает 2000 и даже 3000 м. В какой-то степени это получило подтверждение при использовании радаров. Выяснилось, что перелеты весной протекают на больших высотах, чем осенью, что птицы ночью летят на больших высотах, чем днем. Воробьиные птицы, например зяблики, летят на высотах несколько меньших, чем 1500 м; более крупные воробьиные, например дрозды,- на высоте 2000-2500 м. Кулики летят на высоте около 1500 м. Хотя полет является основным и наиболее характерным способом передвижения птиц, им свойственны и другие весьма разнообразные способы движения.
Общеизвестные подразделения птиц на водных, наземных, древесных указывают на известные различия этих групп и в отношении движения.
Очень любопытно наблюдать за полетом птицы. Особенно интересно, когда вы стоите на корме движущегося судна, а в это время за ним вслед летят чайки. Некоторые из них быстро машут крыльями, а некоторые спокойно и грациозно маневрируют в воздушных потоках. Что позволяет им проделывать такие невероятные для человека трюки? Давайте попробуем разобраться.
Принцип полета птицы
Как летает птица? Прежде всего, необходимо понимать, что существует два способа птичьего полета - машущий и планирующий. О каждом по порядку:
Планирующий способ полета
Для осознания принципов работы крыла птицы придется вспомнить школьный курс аэродинамики. Основные постулаты этой науки гласят: для образования подъемной силы под крылом летательного средства необходима существенная разница между давлением воздуха над крылом и под крылом. Чем плотнее воздух под крылом, тем быстрее и выше самолет поднимается в небо.
Почему мы ведем речь о самолете? Дело в том, что человек часто конструирует свои изобретения, отталкиваясь от окружающего мира. Пример с самолетом прекрасно отражает принцип работы крыльев птицы. Такой полет называют планирующим: птица просто зависает в воздухе, используя силу ветра для движения в нужном направлении. Для подъема вверх задняя поверхность крыла опускается к земле, а для снижения, напротив, приподнимается. Может быть, вы замечали, что чайки в момент скоростного падения складывают крылья.
Машущий способ полета
Этот способ птичьего полета наука пытается разгадать и по сей день. Известно, что энергетическая эффективность полета птицы в десять раз превышает эффективность любого самолета. Как такое возможно?
На первый взгляд, очевидно, - машущие движения крыльями при должном их положении должны двигать птицу вперед. Однако ученые заметили важную деталь. С точки зрения физики, угол поворота крыла птицы должен постоянно меняться для достижения прямолинейного полета по горизонтали - иными словами, только вперед. В противном случае мы будем наблюдать либо движение птицы к земле по дуге (параболической траектории), либо такое же движение наверх. Однако это никоим образом не описывает реальный полет обычной птицы! И угол поворота ее крыла не меняется.
Долгое время данная проблема не могла найти разрешения, пока не появилась одна любопытная теория.
Как утверждают создатели теории, которая, может стать разгадкой сбалансированного полета птицы, дело в физиологической особенности крыла. Крыло и перья птицы очень гибки на краях. При активном машущем движении окончания пера движутся в противоложную сторону от основного движения. Например, при движении крыла вниз окончания его перьев движутся наверх. Аэродинамические свойства крыла естественным образом меняются, что и приводит к равномерному движению вперед по горизонтали. Гибкое строение крыльев и перьев позволяет птахе беспрепятственно лететь вперед без падения вниз или подъема наверх.
Почему самолет не летает, как птица?
На сегодняшний день, наука, осознав особенности строения пернатых, пока не способна воспроизвести подобное. Еще не созданы такие двигатели и материалы, которые бы обеспечили равномерный полет машущим методом. Признаться, это и не нужно. Нынешние самолеты весьма успешно справляются с полетами на реактивной тяге.
Однако исследования ученых в этом направлении не прекращаются. Как мы уже отмечали выше, эффективность полета птицы превосходит тот же показатель технического средства во много раз. Значит, изучая принципы полета птицы, можно попробовать уменьшить затраты энергии самолета и увеличить его грузоподъемность, дальность перелета и другие показатели.
Тем, кому интересно узнать больше об особенностях птичьего полета, советуем ознакомиться .
