Ученые отследили аэродинамику полета птиц с помощью тысяч пузырьков с гелием и обнаружили, что хвост помогает им создавать дополнительную подъемную силу и снижать сопротивление.
©Usherwood et al., 2020
Хвост легкого самолета создает отрицательную подъемную силу, позволяя стабилизировать его полет. Поэтому обычно считается, что и у птиц он должен играть сходную роль. Однако совершенно другую картину показали новые необычные эксперименты, поставленные учеными из Лондонского университета совместно с инженерами компании LaVision. Их статья опубликована в Journal of Experimental Biology.
Профессор Королевского ветеринарного колледжа (RVC) Джим Ашервуд (Jim Usherwood) и его коллеги снимали полет филинов и сов в лаборатории. Специально созданная установка наполняла воздух десятками тысяч крошечных мыльных пузырьков, которые парили благодаря наполнявшему их легкому гелию.
Освещение позволило их визуализировать и снять на камеру, а затем распознать каждое движение, рассмотрев аэродинамику птичьего полета в беспрецедентных деталях. В общей сложности система способна отслеживать до 20 тысяч пузырьков диаметром около 0,3 миллиметра.
Прежде всего, как и ожидалось, видны были завихрения, срывавшиеся с кончиков крыльев, — они прекрасно известны и по самолетам. Однако с концов хвоста сходили точно такие же завихрения, создававшие направленную вверх подъемную силу. В самолетах этого стараются избегать, а в конструкции легких летательных аппаратов и вовсе предусматривают противоположную функцию хвоста. Создавая поднимающееся завихрение и отрицательную подъемную силу, он служит дополнительной пассивной стабилизации полета.
Авторы отмечают, что для летательного аппарата размерами с птицу приходится учитывать вязкое сопротивление воздушной среды. Оно становится минимальным, если подъемная сила распределена максимально равномерно по поверхности аппарата (птицы). Это и обеспечивает участие хвоста в создании силы. А снижение стабильности полета легко компенсируется отличными способностями птицы управлять им и моментально вносить нужные коррективы.
«Действуя в разных горизонтальных плоскостях, крылья и хвост работают на манер биплана, снижая сопротивление и увеличивая подъемную силу; выстраиваясь в одной плоскости, подъемная сила хвоста позволяет компенсировать ее потерю на фюзеляже», — пишут ученые. Они уверены, что стоит задуматься о конструировании беспилотников, использующих такой подход.
«Современная инженерия во многом решила проблемы моментального отслеживания, обработки и управления полетом», — говорит Джим Ашервуд. По мнению ученого, это позволяет задуматься о проектировании беспилотников с фиксированным крылом по новым принципам, заимствованным у птиц: с использованием хвоста для создания дополнительной подъемной силы и снижения сопротивления.
