Полет птиц и насекомых без формул. Часть I. Описание

Полет птиц и насекомых без формул

Часть I. Описание

И. Ю. Степанов

Художественное оформление И. Ю. Степанов

© И. Ю. Степанов, 2021

ISBN 978-5-0053-6651-1 (т. 1)

ISBN 978-5-0053-6652-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ОТ АВТОРА

Книга «Полет птиц и насекомых без формул», является результатом моих исследований по теме природных движителей, дающих возможность различным семенам растений пассивно перемещаться в воздухе, а птицам и насекомым активно летать.

Представленные размышления легли в основу моего понимания сути перемещения живых организмов в воздухе, и дали мне возможность создать простой, эффективный движитель, с помощью которого человек может отталкиваться от воздуха, как это делают насекомые и птицы.

Сразу возникает вопрос. Действительно ли, может человек, находящийся в лодке или на плоту, взяв в руки движитель, подобный крылу птиц или насекомых, двигать лодку или плот, отталкиваясь движителем от воздуха?

Если сможет, то какого размера и формы должен быть движитель? Как его держать, и каким образом «махать»?

Если не сможет, то по какой причине?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, в 2011 году мной был создан первый опытный образец движителя, с помощью которого я привел в движение плавательное средство, отталкиваясь движителем от воздуха (вместо гребных весел).

Вес одного движителя – 1.5 кг, общий вес плавательного средства с человеком и двумя движителями – 116 кг. Привод ручной. Частота махов – 0,9 – 1,2 Гц, скорость перемещения примерно 1м/с, максимальная мощность – 25 Вт.

Много это или мало? Для человека, это легкая усталость, а для шуруповерта, например, у которого мощность 300 Вт, это всего лишь десятая часть.

В 2019 году усовершенствованные движители я установил на SUP-доску и испытал их на озере. Испытание было снято на видео.

Для тех, кто стоял на SUP-досках и одним веслом отталкивался от воды, могу сказать следующее. Приводить в движение «Машущие движители», а по-простому, «махать» ими, не представляет особого труда, но при этом, стоишь на доске более уверенно.

Всё, что здесь написано, кому-то может показаться спорным, кому-то примитивным, а кому-то и вовсе недостойным внимания.

Несмотря на разное отношение к прочитанному, нужно помнить, что именно этот подход помог мне создать не игрушечную модель с машущими крыльями, а полноразмерный движитель, работающий от силы мышц человека, и способный приводить в движение плавательное средство с человеком на борту.

Книга состоит из двух частей.

В первой части, которую я назвал «Описание», описаны некоторые свойства семян растений, летающих насекомых (жуки, бабочки, стрекозы), рыб и рукокрылых. Первая часть книги без иллюстраций.

Вторая часть, названная «Наглядное приложение к первой части», имеет мало текста, так как в ней собраны рисунки, схемы, фотографии, дополняющие сухой текст первой части.

У Вас в руках первая часть первой книги, посвященной полету птиц и насекомых.

Первая часть книги «Полет птиц и насекомых без формул» выставляется в интернет магазинах бесплатно.

Желающим приобрести бумажную версию, надо будет оплатить тираж и почтовые расходы.

Вторая часть книги, платная.

Следующая книга будет называется «Движительный элемент птичье перо», выпуск которой запланирован на конец лета 2021 г. Четыре главы в ней посвящены описанию птиц (перья, скелет, мускулатура, и др.). В остальных главах будет дано подробное описание различных конструкций движителя, на который будет подана заявка на изобретение.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Крыло птицы имеет очень интересную и я бы сказал, оригинальную конструкцию. Интересную, потому что в птичьем крыле, как и у человека, есть плечо, локоть, кисть и даже пальцы. Плечо имеет одну кость, локоть состоит из двух костей, локтевой и лучевой, в кисти находится еще больше косточек. На этих костях крепятся мышцы и кожа. В коже кисти и локтя (мышцы там, практически, незначительные) находятся маховые перья, которые своим очином упираются в локтевую кость.

Оригинальность конструкции птичьего крыла, во-первых, в том, что маховые перья упираются в локтевую кость!

Во-вторых, в том, что в локте нет мышц, которые могли бы удерживать перья вместе с телом крыла в горизонтальном положении.

Если бы кость опиралась на маховые перья птицы или имелись крепкие мышцы, удерживающие перья в любом положении, то тогда смело можно говорить о том, что птица в полете опирается на перья. Но в реальности опереться птица может только на незначительную часть очина пера, да и то эта опора весьма условна, так как при движении крыла вниз площадь опахала пера будет выворачивать кожу локтя, причиняя птице боль.

Внятного объяснения возможности полета «устройства» под названием птица, я до сих пор нигде не нашел. Да, и невнятного объяснения тоже нет, так как авторы, берущиеся объяснять полет птиц, данного вопроса вообще не касаются.

Они быстренько переходят к проекционной площади всего крыла, углам атаки, подъемной силе, силе тяги крыла, траектории движения крыла, и т.д., т.е. переходят к близким и понятным им математическим терминам, оперируя при этом множеством формул. Но формулы не объясняют самого главного вопроса, из-за непонимания которого даже погибали люди. Каким образом маховые перья, которые, в общем- то, находятся за телом птичьего крыла, создают опору птице во время полета?

…И птицы, и насекомые, вполне успешно летают в замкнутых пространствах, где всякое движение воздуха, практически, отсутствует. В этом случае не происходит обтекание или перетекание крыла «движущимся» воздухом, так как крыло птицы или насекомого само врезается в слой стоячего воздуха, разрывая и раздвигая его.

Разряжение (т.е. пониженное давление по существующей теории создания подъемной силы крыла) в этом случае будет с той стороны крыла, на которой будет больше шероховатостей и разных неровностей, уносящих с собой частицы воздуха, и препятствующие плавному и быстрому перемещению крыла в стоячем воздухе. При этом гладкая и скользкая поверхность крыла никак не изменит слой воздуха (не сожмет его и не растянет), поэтому давление воздуха на ней, то есть на гладкой стороне, не изменится.

Но, как мы знаем, наиболее гладкой и скользкой поверхностью является верхняя поверхность птичьего крыла, ибо нижняя часть опахала пера, а, значит, и нижняя часть всего крыла, более «шершавая». Таким образом, некоторое разряжение воздуха возможно лишь под крылом, и во время птичьего полета видно, что концы второстепенных маховых перьев загибаются вниз даже при снижении птицы…

Все известные объяснения машущего полета напрямую связаны, так сказать, с «уникальными» мышцами насекомых и птиц (дескать, они сильнее, чем у человека). Но «Общая зоология» говорит о том, что мышцы у всех организмов, по сути, почти одинаковые, только имеют различный частотный предел сокращения, после которого наступает усталость мышц. При продолжительной работе, мышечные волокна становятся невосприимчивыми к раздражителю, и после нескольких секунд работы, как бы замирают в сжатом состоянии. Однако, частота биения крыльев многих насекомых находится значительно выше этого предела.

Так, при традиционном объяснении длительных перелетов насекомых и птиц происходит некоторый конфуз. С одной стороны мышцы насекомого не должны сокращаться с такой высокой частотой, а с другой стороны крылья все-таки машут. В дополнение к этому, логика подсказывает, что перелеты птиц и насекомых на большие расстояния не могут происходить без автоматического махания крыльями, при котором происходит лишь пассивное движение мышц…

На все предметы, находящиеся в воздухе или в воде, постоянно действует сила земного тяготения. Для того, чтобы тело могло удерживаться в воздухе или в воде необходимо, чтобы на это тело действовала другая сила, как минимум, постоянно уравновешивающая силу земного тяготения. Но в различных источниках приходится читать, что в некоторых положениях птичьего крыла возможна даже «отрицательная» подъемная сила.

Движение и плотность среды помогают животным вполне успешно перемещаться в воздухе или в воде, но неправильное указание площади опоры, на которую опираются во время полета насекомые и птицы, и непонимание работы их движителей, создающих тягу постоянно и бесперебойно, делают пока невозможным создание искусственного машущего полета…

В описании полета семян растений, насекомых, рукокрылых и птиц, я старался придерживаться того, чего нет в других источниках, или, на мой взгляд, недостаточно освещено.

Например, движение рыб с помощью хвоста и изгибов тела происходит во время их движения. Но начальный, резкий рывок, дающий возможность максимально использовать хвостовой плавник, рыба (кроме акул) осуществляет несколько, по-другому…

Во многих источниках достаточно полно описаны силы, действующие на проекционную площадь крыла, поэтому я не стал повторяться, а больше внимания уделил тому, о чем в них не говорят.

Во-первых, конечно, это перья птиц, без которых летающая птица вообще не летает. По моему мнению, совершенно недостаточно уделено внимания перьям птиц, хотя и приводятся их довольно-таки подробные описания.

Во-вторых, опахала маховых и кроющих перьев во время полета расширены и расположены у птиц слоями и рядами внахлест. Каждый ряд перьев непосредственно участвует в создании сил, движущих птицу, поэтому реальная суммарная площадь крыла значительно больше её проекционной величины.

В-третьих, самопроизвольные или автоматические взмахи крыльями, как у насекомых, так и у птиц, дающие им колоссальную экономию энергии и сил.

Этот вопрос объясняют только с позиции активного участия мышц животного, даже не предполагая, что возможны взмахи крыльев при пассивных движениях грудных мышц.

В-четвертых, свойства слоев воздуха, позволяющие летающим животным продолжительное время находиться в воздухе, тоже недостаточно освещены…

Математические формулы хороши для расчетов деталей и изготовления конструкций, но для объяснения полета они неуместны, поэтому во всей книге, предлагаемой мной, вы не найдете ни одной формулы, ни одного уравнения. К тому же всего этого достаточно в других источниках. Но отсутствие формул я старался восполнить наличием множества фотографий и рисунков…

Принцип полета у всех организмов один и тот же, и только некоторые характерные особенности ставят их на разные ступени совершенства, поэтому я начал с описания полета семян растений, затем насекомых (мухи, жуки, бабочки, стрекозы), рыб, рукокрылых и закончил описанием полета птиц, (Полет птиц описан в следующей книге).

ГЛАВА 1

«…Трудности носят не математический, а чисто физический характер. Дело состоит в неясности самой физической схемы, которой можно было бы стилизовать процесс, происходящий при взмахе крыла; и недостаток этой физической схемы не может быть заменён никакими… математическими средствами, как бы сложны они не были». Голубев В. В. Тяга машущего крыла. Доклад на сессии ОТН АН СССР, январь, 1946 г., «Известия АН СССР, ОТН», 5, 1946 г.

АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ

Атмосфера Земли имеет слоистое строение. Слои атмосферы отличаются друг от друга температурой воздуха, его плотностью, количеством водяного пара в воздухе и другими свойствами. Говоря иначе, воздушный океан по своему строению напоминает слоистый пирог. У него тоже есть свои «слои», свои пустоты, а кое-где слои плотно прижаты друг к другу.

Газообразная оболочка, окружающая земной шар, называется атмосферой (от греческих atmos-воздух и sphaira-шар). Атмосфера простирается до высоты свыше 1000 км. Ее обычно делят на тропосферу, непосредственно прилегающую к земной поверхности, стратосферу и ионосферу.

Воздух имеет массу и давит на поверхность земли с определенной силой. Давлением называется сила, приходящаяся на единицу поверхности. Эта сила обозначается буквой р.

В механике давление обычно измеряется в кгс/см2. Давление в 1 кгс на 1 см2 принято называть технической атмосферой. В аэродинамике давление измеряется в мм ртутного столба. Известно, что на уровне моря, при температуре плюс 15° С воздух давит на поверхность земли с силой 1 кгс на 1 см2. С такой же силой давит столб ртути высотой 760 мм. Такое давление принято считать нормальным.

В зависимости от температуры и влажности воздуха меняется его плотность, что, в свою очередь, вызывает изменение давления. С подъемом на высоту давление понижается в строго определенной закономерности. Это дает возможность заранее определить, каким оно будет на той или иной высоте.

Свойство давления изменяться в зависимости от высоты используется в анероидно-мембранных устройствах: высотомерах, приборах автоматического раскрытия парашюта.

С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в лёгких остаётся почти постоянным – около 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в лёгкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине.

По мере подъёма на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные для нас явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение аэродинамической подъёмной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

До высот 60—90 км ещё возможно использование сопротивления и подъёмной силы воздуха для управляемого аэродинамического полёта. Начиная с высот 100—130 км аэродинамическое крыло ещё можно применить, но при больших скоростях полёта.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, основная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Между уровнем моря и высотой 5—6 км находится половина массы атмосферы, в слое до 16 км-90%, а в слое до 30 км – 99%. Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается. Поэтому 1 м3 воздуха на уровне моря весит 1033 г, на высоте 12 км – 319 г, а на высоте 40 км – всего 4 г.

У поверхности Земли на 1 см2 площади атмосфера давит с силой, равной 1033 г, а на 1 м2 – уже 10333 кг.

Таким образом, тело взрослого человека испытывает тяжесть, равную 12—15 тыс. кг, или 12—15 т, а ладонь его руки – 150 кг. Однако этой тяжести человек не ощущает, так как внешнее давление воздуха уравновешивается давлением внутри тела человека. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению, поэтому при подъеме на большие высоты самочувствие человека ухудшается не только из-за недостатка кислорода, но и из-за низкого давления.

Расстояние, на которое нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 миллибар (миллибар (мб) – единица измерения давления), называется барометрической ступенью. В приземном слое она равна 8 м. Это значит, что на каждые 8 м поднятия давление понижается на 1 мб. В слое 4—6 км барометрическая ступень равна 13 м, а в слое 12—16 км она равна 40 м. Величина барометрической ступени зависит еще и от температуры воздуха.

Из выше описанного ясно, что нижние слои воздуха сжаты наиболее сильно и обладают большей потенциальной энергией. Но из-за того, что слои атмосферы наматывались на Землю и наматываются до сих пор (ибо вращение Земли продолжается и поныне), плавно, с некоторым натяжением, и за долгий промежуток времени, то каждый следующий слой укладывался в строгой последовательности и закономерности. При этом каждый слой имеет свою массу. Этой массой он давит на более нижние слои, вызывая в них процесс сжатия. Сжатие между молекулами воздуха приводит к накоплению энергии в слое, которая всегда готова вырваться наружу при любом удобном случае.

Каждый слой воздуха, в том числе и такой тонкий, как молекулярный, имеет свою толщину и свои границы, свои силы поверхностного натяжения, внутреннего напряжения, и т.д., но давление в слое будет тем ниже, чем выше находится слой в «бутерброде», который называется атмосферой. Твердость слоя, наоборот, будет более высокой у более нижнего слоя. Поэтому любое тело, находящееся в атмосфере, воспринимает своими частями разные внешние давления воздуха.

Любое вещество, твердое, жидкое или газообразное, состоит из миллионов и миллионов крошечных молекул, расположенных, казалось бы, вплотную друг к другу. В действительности, однако, расстояния между молекулами не так уж малы по сравнению с их размерами, и молекулы удерживаются на этих расстояниях друг от друга благодаря действию сил, которое можно сравнить с действием пружин.

Молекулы нечувствительны к тому, какие именно другие молекулы становятся их соседями, но сильно реагируют на степень их близости.

Из сказанного становится ясно, каким образом твердые тела, жидкость и газ, проявляют упругость при приложении напряжения – молекулы либо теснее сдвигаются, либо расходятся, а их пружинно подобные связи сжимаются или растягиваются. Как только напряжение снимается, «пружины» вернут молекулы в исходное положение равновесия. О молекулах газа правильнее сказать, что «пружины» не оттягивают их в прежнее положение, а раздвигают друг от друга на прежнее расстояние.

Молекулы воздуха, удерживаемые на некотором расстоянии друг от друга силами упругого типа, – это мельчайшие частицы вещества, и, следовательно, они обладают массой. Каждая молекула все-таки кое-что весит, а поскольку она обладает массой, она проявляет инерционные свойства. Припомним первый закон Ньютона:

Каждое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешняя сила не выведет его из этого состояния.

СИЛА – в механике – мера механического действия на данное материальное тело со стороны других тел. Это действие вызывает изменение скоростей точек тела или его деформацию и может иметь место как при непосредственном контакте (давлении прижатых друг к другу тел), так и через посредство создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле). Сила – величина векторная и в каждый момент времени характеризуется численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения.

Например, как бы хорошо ни были смазаны петли тяжелой дубовой двери, чтобы закрыть ее, обязательно нужно приложить известное усилие, потому что из-за своей массивности она как бы сопротивляется и не приходит сразу в движение. Когда же она придет в движение, понадобится почти такое же усилие, чтобы ее остановить.

Подобным образом, но в малом масштабе сопротивляются изменению движения молекулы воздуха, ближайшие к поверхности слоя. Когда слой двигается, инерция не позволяет этим молекулам мгновенно прийти в движение, поэтому «пружины», отделяющие их от поверхности тела, сожмутся.

Потенциальная энергия, сообщенная телом этим «пружинам», заставит молекулы двигаться вперед. Придя в движение, молекулы, обладающие определенной массой, приобретут кинетическую энергию; потенциальная энергия «пружин» превратится в кинетическую энергию молекул. Затем этот процесс повторится, молекулы первого слоя начнут толкать молекулы следующего слоя, вследствие инерции те также сопротивляются и приходят в движение только после того, как сожмутся «пружины», действующие между молекулами первого и второго слоев. Аналогичное явление (в гораздо более крупном масштабе) наблюдается, когда маневренный паровоз толкает на запасной путь состав железнодорожных вагонов. Вследствие инерции первого вагона – и в меньшей мере трения – пружины его буферов сожмутся, и только после того, как они запасут достаточную потенциальную энергию, первый вагон начнет катиться по рельсам. При этом, он сожмет пружины буферов между первым и вторым вагонами и т. д.; в результате пройдет заметное время, прежде чем покатится также и последний вагон. Теперь легко понять, почему при быстром движении тела на небольшое расстояние весь воздушный столб в целом не приходит в движение мгновенно. Ведь каждому молекулярному слою нужно время, чтобы сдвинуть с места следующий слой.

Потребуется целая секунда для того, чтобы на протяжении 344 м воздух продвинулся вдоль трубы на расстояние, пройденное поршнем. Если бы молекулы были тяжелее или молекулярные силы слабее, времени понадобилось бы больше. Расстояние в 344 м относится к температуре в 20 °С, при 0 °С оно уменьшится до 332 м (с точностью до одного метра). Такое сокращение расстояния обусловлено тем, что при охлаждении молекулы сближаются, и, если бы мы могли подсчитать число слоев молекул воздуха в столбе длиной 344 м при 20 °С, оно равнялось бы числу слоев в столбе воздуха длиной 332 м при 0 °С.

Все эти рассуждения вполне применимы и при движении тела назад. В этом случае оно не сжимает «пружины», а растягивает их до тех пор, пока ближайший к нему молекулярный слой не начнет также двигаться назад. Молекулы первого слоя, кинетическая энергия которых обусловлена этим движением, в свою очередь растянут «пружины», связывающие их со следующим слоем, и т. д. В результате, после того, как тело сдвинулось сначала вперед, а потом назад, все молекулы вернутся на свои исходные места. При этом они передадут «толчок», не получив в итоге никакого остаточного перемещения.

Все тела, находящиеся в воздушной среде, не имеют полностью гладких поверхностей. Поверхности тел, как правило, шероховаты, имеют различные выступы, наросты или впадины, а также волосяной покров, увеличивающие площадь поверхности тел и дающие возможность большего зацепления с воздухом.

При движении тела все эти шероховатости захватывают часть воздуха с собой. Молекулярное натяжение увеличивается, и часть воздуха устремляется вслед за движущимся телом. Если в этот момент резко остановить тело, то движущийся за телом поток воздуха «врежется» в тело и произведет толчок, направленный в сторону движения тела.

ГЛАВА 2

СЕМЯ ОДУВАНЧИКА

При исследовании растительного и животного мира, необходимо всегда помнить одну очень важную деталь. Все представители флоры и фауны, которые не обладают интеллектом, не могут сами что- либо производить по своей воле. Они в состоянии лишь пользоваться тем, что дано им от природы.

Растительный мир очень разнообразен. Почти всё лето и начало осени по воздуху летают различные семена деревьев, кустарников и трав. Некоторые семена снабжены различного рода парашютными системами.

Прежде, чем перейти к описанию полёта птиц и насекомых, есть необходимость рассказать немного о том, каким образом совершают свой полёт листья деревьев, семена клёна, одуванчика и др. растений.

Казалось бы, всё уже известно, что здесь можно рассказать нового?

И всё-таки, я попытаюсь показать кое-что, что может оказать помощь людям, заинтересованным и стремящимся познать физические причины горизонтального полёта многих семян растений, а также основы средств торможения, которыми они снабжены.

Полёт семян, это пассивный полёт, пассивное передвижение тела сверху вниз и, в некоторых случаях, даже снизу-вверх.

Но, если бы семена не обладали возможностью к горизонтальному перемещению, то они падали бы непосредственно под ветками и распространение растений по поверхности земли не происходило бы столь интенсивно, как мы это наблюдаем.

Все падающие семена, имеющие средства торможения, даже при незначительном ветре меняют направление своего движения, вплоть до противоположного. Как и за счет чего, это происходит?

Чтобы это понять, рассмотрим для начала одуванчик, семя которого снабжено парашютиком. (См. II Часть «Наглядное приложение»).

Семя одуванчика имеет вертикальный стержень, наверху которого под почти прямым углом к стержню, расположено множество маленьких, но крепких веточек, на которых тоже расположено множество волосков и крючочков. Находясь в непосредственной близости друг к другу и переплетаясь между собой, горизонтальные веточки и волоски создают множество препятствий для движения потоков воздуха через них.

В верхней части вертикального стержня семени, где расположен парашют, создается повышенный перепад давления воздуха. Если давление воздуха выше над парашютиком, то семя остаётся на цветке. Если давление под парашютиком становится выше, чем над ним, то семя отрывается от цветка и начинает свой полёт вместе с ветром. Движение ветра, особенно кратковременное, обычно направлено горизонтально и вверх, закручиваясь, поэтому парашютик, начиная своё движение почти горизонтально в сторону от цветка, довольно-таки быстро устремляется кверху. Высота, на которую первоначально поднимается семя, зависит от силы ветра и продолжительности дуновения.

Дальнейшее вертикальное перемещение зависит оттого, имеется ли движение воздуха на той высоте, куда попал парашютик. Если там присутствует движение воздуха, а оно, как было сказано, направлено, в основном, прямо (горизонтально) и вверх, то парашютик, захваченный новым потоком воздуха, снова устремляется кверху. Если, по каким-то причинам, всякое движение воздуха прекращается, то парашютик начинает свое движение вниз, на землю. В связи с особенностью конструкции (семя плюс парашютик), движение его происходит не строго вертикально, но и горизонтально тоже.