Как действуют птичьи крылья

Когда-то люди думали, что в полете птицы используют крылья, подобно тому, как гребцы в лодке используют весла: "активное" движение вниз дает толчок, а "холостое" обратное движение возвращает крылья в верхнее положение. В то время люди не понимали процессов взаимодействия сил тяжести, подъема, сопротивления и тяги. Они ничего не знали о сложных движениях различных частей птичьих крыльев, которые создают силы, необходимые для движения вверх и вперед.

В крыле птицы можно выделить наружные и внутренние части. Ближайшие к туловищу внутренние части поворачиваются на плечевом суставе. Внешние части поворачиваются независимо от внутренних — на запястье. Локтевые суставы позволяют крыльям складываться. Внутренние части крыла образуют несущую поверхность, обеспечивающую подъемную силу, которая удерживает птицу в воздухе, — они эквивалентны крыльям самолета.

Перья, покрывающие внутренние части крыла, называются второстепенными маховыми перьями. Они выгнуты вверх, что обеспечивает перепад давления в воздушных потоках под и над крылом. Выпуклость усиливается за счет маленьких кроющих перьев.

Внешняя часть крыла — "кисть" птицы — играет роль винта. Она покрыта длинными маховыми перьями, которые именуют первостепенными. При каждом взмахе крыльев первостепенные маховые перья изменяют форму, приспосабливаясь к результирующим изменениям давления.

Чайка в полете. Показаны части крыльев и основное оперение птицы

Машущий полет. При движении крыла вниз первостепенные перья выкручиваются и изгибаются, становясь почти под прямым углом к поверхности крыла. Это обусловлено самой формой и структурой первостепенных перьев: переднее опахало каждого пера намного уже заднего. Воздух воздействует на широкое опахало с большей силой, чем на узкое. Эта разница сил заставляет перо поворачиваться вдоль своей оси. При опускании крыла заднее опахало под действием большей силы выкручивается вверх, пока наружная часть оперения не повернется на нужный угол, чтобы действовать как пропеллер, направляющий поток воздуха назад.

Первостепенные перья крепятся к кости не так жестко (например, как зубы), а соединены с ней гибким хрящом. Он допускает некоторую свободу движения, необходимую для такого перекручивания. Внешние части крыла и первостепенные маховые перья отлично приспосабливаются к различным условиям полета.

При резком взлете и в быстром полете птица делает сильные взмахи, сопровождающиеся значительным перекручиванием первостепенных перьев. Каждое такое перо выкручивается по всей своей длине, обеспечивая силу тяги. Когда птица летит неторопливо, едва взмахивая крыльями — поворачиваются только кончики первостепенных крыльев. Чем выше степень закручивания, тем мощнее получается сила тяги, выталкивающая воздух назад.

Перо. Показаны его части и степень его гибкости

Однако крылья при каждом взмахе движутся не просто вверх и вниз. При опускании крыло, кроме того, подается вперед, а при подъеме — отходит назад. Степень этого движения крыльев вперед и назад птица может регулировать. При взлете, например, она машет крыльями очень быстро и настолько же подает их вперед-назад, насколько вверх-вниз. В спокойном полете птица машет крыльями медленнее и практически только вверх-вниз.

У некоторых птиц, таких как голуби и куропатки, движение крыльями вперед при быстром взлете настолько велико, что первостепенные перья крыльев бьются друг о друга, как будто птица хлопает в ладоши. Если проследить траекторию, которую описывает крыло птицы при полном маховом цикле (вниз-вперед, а потом вверх- назад), то получится наклонная восьмерка.

При опускании крылья также движутся вперед, а при подъеме отходят назад

Начиная опускать крыло, птица вытягивает его во всю длину. При сильном махе вниз первостепенные перья под давлением сжимаются, не пропуская сквозь себя воздух. Это обеспечивает максимальную тягу при отрыве от земли и в быстром полете, так как воздух отталкивается назад. Опустив крылья до конца, птица подгибает запястья и начинает движение крыльями вверх. При этом внешние части крыла частично складываются. Одновременно первостепенные маховые перья под действием мышц и изменения давления немножко раздвигаются, как пальцы на человеческой руке, и выворачиваются, свободно пропуская воздух (подобно тому, как раскрытые пластинки жалюзи пропускают свет).

Маленьким птицам это позволяет уменьшить сопротивление воздуха на время подъема крыльев, пока сила тяги не вырабатывается. У птиц покрупнее каждое перо становится отдельной несущей поверхностью, которая обеспечивает подъемную силу и, одновременно, инерционный толчок вперед. В конце подъема крыльев птица резко разгибает запястья — и внешние части крыльев, делая быстрый рывок, возвращаются в исходное положение для очередного движения вниз. Мах вниз обычно сильнее и длится дольше, чем мах вверх.

При махе вниз воздух ударяет в нижнюю поверхность первостепенных маховых перьев и отражается назад. При махе вверх перья раздвигаются, и воздух проходит сквозь них, уменьшая сопротивление.

Они изгибаются таким образом, чтобы ток воздуха, обходя каждое перо, направлялся назад. Это и есть пропеллер птицы

В то время как внешние, кончики крыльев действуют подобно винтам, обеспечивая поступательное движение птицы, внутренние части крыльев сохраняют более или менее постоянный угол атаки. Это обеспечивает подъемную силу, необходимую для удержания массы птицы, хотя угол поперечного V (возвышение крыльев относительно туловища) постоянно меняется. Однако птица способна изменять угол атаки для поддержания устойчивой подъемной силы всякий раз, когда меняется скорость ее поступательного движения. Она может варьировать и амплитуду махов.