Twoja wyszukiwarka

JANUSZ PIECHNA
JAK LATAJĄ ZWIERZĘTA?
Wiedza i Życie nr 8/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 8/1997

SZYBUJĄCE WYSOKO PTAKI FASCYNOWAŁY LUDZI JUŻ OD ZARANIA DZIEJÓW. ALE TYLKO NIELICZNI PRÓBOWALI DOWIEDZIEĆ SIĘ, NA CZYM POLEGA FENOMEN UNOSZENIA SIĘ ZWIERZĄT W POWIETRZU.

Jednym z pierwszych, który przyglądał się racjonalnie lataniu zwierząt, był Leonardo da Vinci. Do dzisiaj zachowały się jego rysunki studialne przepływu wody, wiatru, ruchów ptaków, a także machin latających. Wynika z nich jednak, że nie udało mu się odkryć podstawowego mechanizmu utrzymującego ptaki w powietrzu. Uważał on, iż pióra - obracając się - tworzą rodzaj zaworu otwartego (przepuszczającego powietrze) w czasie ruchu skrzydła do góry, a zamkniętego przy ruchu w dół. Miał tylko częściowo rację.

Fot. Artur Tabor

W roku 1889 Otto Lilienthal przedstawił własne wnioski dotyczące lotu ptaków. Zaprojektował też, wykonał i oblatał pierwsze urządzenia umożliwiające loty ślizgowe. Następnie pojawili się bracia Wright ze swym pierwszym samolotem (1903 rok) - maszyną, która mogła sama utrzymać się w powietrzu. Odkąd ludzie nauczyli się latać szybciej, wyżej i dalej niż ptaki, mniej interesowali się ich sposobem lotu. Pozostała jednak garstka entuzjastów dociekających tych tajemnic. Do ich grona należą nie tylko biolodzy (Dietrich Bilo, Werner Nachtigall, Johannes M. Zanker, Wolfram Zarnack), ale także inżynierowie lotniczy (Paul MacCready) oraz naukowcy z innych dziedzin techniki (Wolfgang Send).

PROFIL LOTNICZY

Spróbujmy zebrać informacje o tym, jak latają zwierzęta. Otóż na latające zwierzę działają dwie grupy sił: ciężkości i aerodynamiczne. Siły ciężkości działają w dół i aby takie zwierzę unosiło się w powietrzu, jego ciężar musi być równoważony przez skierowaną do góry siłę aerodynamiczną, którą nazywa się siłą nośną. Jeśli zaś dodatkowo porusza się ono w poziomie, to pojawia się jeszcze jedna siła aerodynamiczna zwana siłą oporu i aby ją zrównoważyć, musi wystąpić siła ciągu. W samolotach służą do tego śmigła lub dysze. A w jaki sposób wytwarzają siłę ciągu owady, ptaki i niektóre ssaki (a kiedyś także latające gady)?

Swoją interpretację mechanizmu lotu ptaków Otto Lilienthal przedstawił klarownie na tym, powszechnie przytaczanym, rysunku

Powinniśmy cały czas pamiętać o tym, że siły aerodynamiczne pojawiają się tylko wtedy, gdy występuje opływ ciała. Nie ma ruchu powietrza względem ciała - nie ma sił aerodynamicznych! Siły te zależą od kwadratu prędkości i gęstości przepływającego czynnika. Zależą także od kształtu ciała i jego wymiarów.

Na przykład płaska płytka ustawiona pod pewnym kątem do kierunku napływu powietrza (nazywanym kątem natarcia), może wytwarzać siłę działającą w kierunku prostopadłym do kierunku napływu (a więc siłę nośną), i to wielokrotnie większą od powstającej jednocześnie (a działającej zgodnie z kierunkiem napływu) siły oporu. W zależności od ustawienia płytki w stosunku do płynącego powietrza, możemy uzyskiwać siłę nośną skierowaną do góry lub do dołu.

Płaska płytka - jako element nośny - ma pewien mankament. Po przekroczeniu stosunkowo niewielkiego kąta natarcia, przepływ "odrywa się" od niej i siła nośna maleje, a oporu rośnie. Gdybyśmy jednak zaopatrzyli tę płytkę w zaokrągloną krawędź przednią (krawędź natarcia), to mogłaby ona pracować efektywnie w znacznie szerszym zakresie kątów natarcia. Gdyby zaś grubość płytki zmieniała się w pewien określony sposób wzdłuż przepływu, uzyskalibyśmy jeszcze efektywniejszą powierzchnię nośną. Taką płytkę możemy już nazwać skrzydłem, a jej przekrój - profilem lotniczym. Na dolnej powierzchni płytki ustawionej tak, by dawała siłę skierowaną do góry, powstaje nadciśnienie, a na górnej - podciśnienie. Wobec tego na bocznych krawędziach płytki musi dojść do wyrównania ciśnień, a to wiąże się z powstaniem w ich okolicy wirów nazywanych krawędziowymi. Im bardziej wiry te są od siebie oddalone, a zatem im większa jest rozpiętość płytki (skrzydła), tym ich szkodliwy wpływ jest mniejszy (ramka powyżej).

Ryc. 1. Ustawienie ruchomej końcówki skrzydła pod stałym kątem i kręcenie nią wokół osi obrotu to sposób uzyskiwania siły ciągu realizowany w technice. Typowe śmigło. Przyroda na takie rozwiązanie nie może sobie pozwolić z powodu braku odpowiedniego stawu (łożyska)

Wykonajmy teraz uproszczony (bez elementów służących do sterowania) model latającego zwierzęcia. Otrzymamy wrzecionowaty kadłub zawierający "układ napędowy" i proste nieruchome skrzydła zapewniające wystarczającą siłę nośną, gdy porusza się on do przodu z określoną prędkością. Przyczepmy jeszcze do końców skrzydeł na przegubie ruchome końcówki i ustawmy je tak, by w czasie ruchu z góry na dół dawały siłę aerodynamiczną ciągnącą całość do przodu. Poruszmy teraz taką końcówką, opuszczając ją właśnie na dół. Całość rusza do przodu. Kręcimy końcówką dalej. Stop! Przecież to jest zwyczajne śmigło, a całość to samolot (ryc. 1).

Niestety, ewolucja świata zwierząt nie zadbała o wytworzenie stawu, który pozwalałby na obrót o kąt większy niż 360o. Musimy więc zatrzymać końcówkę w dolnym położeniu. Na szczęście nasz model, rozpędzony ruchem końcówki w dół, porusza się nadal do przodu. Zmieńmy teraz ustawienie końcówki tak, by przy ruchu do góry również ciągnęła model do przodu. Okazuje się, iż możemy mieć śmigło pracujące cyklicznie. Opuszczając i podnosząc końcówkę oraz odpowiednio zmieniając jej kątowe ustawienie (ryc. 2), otrzymujemy siłę ciągu taką, jak podczas pracy zwykłego śmigła.

Ryc. 2. Możliwość zmian kąta ustawienia końcówki sprawia, że - wykonując tylko ruchy oscylacyjne (góra-dół) - uzyskujemy siłę ciągu. I właśnie takie rozwiązanie stosowane jest w przyrodzie

W omawianym modelu występują dwa, wyraźnie wyróżnione elementy: stałe skrzydło mające za zadanie unoszenie całości (pod warunkiem, że model porusza się odpowiednio szybko względem powietrza) oraz oscylująca końcówka, wytwarzająca odpowiednią siłę ciągu. A więc latające zwierzęta muszą mieć funkcjonalne odpowiedniki obu tych elementów, przy czym ich postać wcale nie musi być łatwa do identyfikacji.

Spróbujmy odszukać elementy nośne oraz napędowe wykorzystywane przez latające owady, ptaki i ssaki. Aby to zrobić, prześledźmy najpierw historię ich ewolucji i stosowanych przez nie sposobów latania.

JAK LATAJĄ OWADY

Pierwsze owady pojawiły się na Ziemi ponad 300 milionów lat temu. Miały dwie pary pozornie bardzo delikatnych, w praktyce jednak bardzo sztywnych skrzydeł (próby obliczeń ich sztywności za pomocą znanych teorii wytrzymałościowych dawały wartości kilkakrotnie mniejsze od występujących w rzeczywistości). Charakterystyki aerodynamiczne skrzydeł owadów, w porównaniu z tym, co wytwarzają ludzie, są kiepskie. A jednak owady latają! Poruszają przy tym skrzydełkami tak szybko, iż obserwacja gołym okiem nie przynosi żadnych sensownych informacji. Jeśli jednak zinterpretujemy wyniki pomiarów ruchów skrzydeł szarańczy w tunelu aerodynamicznym (wykonał to Wolfram Zarnack), okaże się, że przednia para skrzydeł zmienia kąt ustawienia w czasie cyklu pracy tak, by dawać przede wszystkim siłę ciągu, tylna zaś (o powierzchni 4 razy większej) utrzymywana jest stale na dodatnich kątach ustawienia, zapewniając głównie siłę nośną.

Owady, które pojawiły się nieco później, przekształciły pierwszą parę skrzydeł w sztywne pokrywy chroniące właściwe, błoniaste skrzydła, gdy te są złożone. W czasie lotu rozpostarte pokrywy stanowią stałe powierzchnie nośne, a ruchome skrzydła wytwarzają konieczną do lotu siłę ciągu (ryc. 3). Mankamentem takiego układu jest to, że chrabąszcz musi latać szybko i ze stałą prędkością, by mogły działać jego sztywne skrzydła.

Niektóre owady zredukowały drugą parę skrzydeł do postaci buławkowatych organów zwanych przezmiankami (halterae), które - będąc odmianą żyroskopu - umożliwiają lepszą orientację przestrzenną. Owady takie, mając tylko jedną parę skrzydeł, muszą nimi poruszać tak, by uzyskiwać i siłę nośną, i siłę ciągu.

Aby uzyskać siłę nośną, owad musi po pierwsze - poruszać skrzydełkami, dzięki czemu powietrze opływa je (gdy nie ma opływu, nie ma sił aerodynamicznych), po drugie - zmieniać ich ustawienie tak, by powstająca siła aerodynamiczna mogła równoważyć siły ciężkości. W roku 1964 Werner Nachtigall sfilmował kamerą do zdjęć szybkich (6400 klatek na sekundę) sekwencję lotu muchy w tunelu aerodynamicznym. Szczegółowa analiza filmu pozwoliła jednoznacznie stwierdzić, iż siła nośna powstaje głównie w czasie ruchu skrzydełek na dół, a siła ciągu - podczas ich ruchu do góry.

Wcześniejsze wyobrażenia o wspaniałych własnościach lotnych owadów okazały się nieco przesadzone, niemniej jednak zadziwiają. Osa przenosi do kryjówki larwę ważącą 3 razy więcej niż ona sama. Według niegdysiejszych ocen naukowców trzmiel ze swoim maleńkimi skrzydełkami nie powinien latać, ale on nic o tym nie wie i... lata.

MOTYLE LATAJĄ INACZEJ

Motyle mają delikatne skrzydełka o bardzo dużej powierzchni i dlatego jednostkowe obciążenie powierzchni nośnej jest bardzo małe. Mogą one żeglować bardzo daleko, a częstotliwość ruchów ich skrzydeł - stykających się ze sobą w górnym położeniu, jednak w dość szczególny sposób - jest niewielka. Najpierw zbliżają się ich części przednie, a następnie z powstałej trójkątnej szczeliny wyciskane jest powietrze. Na efekt ten jako pierwszy zwrócił uwagę Wolfgang Send* i nazwał go "efektem pompowania". Rozchodzenie się skrzydeł zaczyna się znowu od ich części przedniej. Właśnie w tych fazach powstaje większość siły napędowej. Ten sam efekt wykorzystują ptaki w fazie startu. Mają wówczas małą prędkość ruchu i każdy sposób jej szybkiego zwiększenia jest nie do pogardzenia. Wtedy właśnie wykonują skrzydłami ruchy o największej amplitudzie, stykając je ze sobą w górnym położeniu. Taka konfiguracja działania dwóch profili będących w pobliżu powoduje (według obliczeń Senda) wzrost siły ciągu o 40% w porównaniu do pracy pojedynczego profilu.

Ryc. 3. Chrabąszcz to dwupłat ze stałym skrzydłem (chitynowe pokrywy o silnym wysklepieniu). Jest to rozwiązanie efektywne, choć nie bez wad. Musi on latać szybko i dlatego robi to niezbyt precyzyjnie

Fot. Superstock/BE&W

Z teoretycznych rozważań Wolfganga Senda wynika, że prędkość lotu, częstotliwość i amplituda ruchów skrzydeł są ze sobą ściśle związane, a sprawność napędu osiąga maksimum w dość wąskim zakresie zmian tych wielkości. I rzeczywiście, miliony lat ewolucji sprawiły, że owady i ptaki odkryły te optymalne wartości.

Wróćmy do naszej historii latających zwierząt. Kręgowce, opanowując lądy, zaczęły wspinać się także na drzewa. Być może z lenistwa, a może z dobrze pojętej oszczędności energii; zamiast schodzić z jednego drzewa na ziemię i znów wspinać się na sąsiednie, próbowały na nie przeskakiwać. Tym, które miały rozpięty pomiędzy kończynami a tułowiem płat skórny, wychodziło to lepiej - wykorzystywały aerodynamiczną siłę nośną do zwiększenia zasięgu skoku.

SKRZYDŁO MEMBRANOWE

Cztery łapy były dobre do wspinania się po drzewach, z szybowaniem było już gorzej; przednie kończyny przystosowały się więc do latania. Jeden z palców wydłużył się i tylko do niego przyczepiona została błona, a przodek pterozaurów skakał coraz lepiej, szybował coraz dłużej. Ale jak zapewnić naszemu stworzeniu siłę ciągu, by mogło latać także w nieruchomym powietrzu? Być może pomógł w tym przypadek, gdy jeden z tych "niby-ptaków" lądując, zobaczył na dole niebezpiecznego przeciwnika. Przestraszył się, w zdenerwowaniu zamachał "skrzydłami" i... udało mu się przelecieć nad prześladowcą! Następnym razem zamachał nimi już świadomie i od tego czasu zaczął się uczyć latać aktywnie.

Czy rzeczywiście, wykonując skrzydłami prymitywne ruchy góra - dół, można uzyskać siłę napędową?

W pierwszym, omawianym przez nas modelu wykorzystaliśmy oddzielne elementy konstrukcji do uzyskania siły nośnej i siły ciągu. Wykonajmy inny model. Do wrzecionowatego kadłuba przymocujmy dwa ramiona wykonujące wahadłowe ruchy góra-dół. Na ramionach tych rozepnijmy trójkątną błonę, przyczepiając jej wolny wierzchołek do kadłuba. Jeśli spowodujemy teraz wahadłowe ruchy ramion, model nasz ruszy do przodu, ponieważ błona tworzy skrzydło o profilu zmiennym w czasie (zmiennym kącie natarcia). Efekt jest identyczny, jak w omawianym wcześniej sztywnym modelu. Błona układa się samoistnie tak, że końcówka skrzydła zmienia kąt natarcia na właściwy. Tutaj efekty uzyskiwania siły nośnej i siły ciągu nie są tak proste do rozróżnienia, jak w modelu poprzednim. Możemy jedynie stwierdzić, iż siła nośna powstaje głównie w części przykadłubowej ruchomego skrzydła (tam amplituda ruchów jest mała), a siła ciągu w pobliżu końcówek (tam prędkość ruchu jest duża).

Gady z takimi skrzydłami (tzw. błoniastymi) latały coraz lepiej. Nazywały się pterozaurami. Jednak rozdarcie płata-membrany powodowało nieodwracalną utratę możliwości latania i w konsekwencji śmierć. Bardziej udana okazała się inna próba ewolucji: wykształcenia skrzydła złożonego z wielu elementów - piór. Takie skrzydła, powstałe niezależnie od błoniastych w innej grupie mezozoicznych gadów, miały odmienną budowę, lecz korzystały z tych samych zasad wytwarzania siły ciągu i nośnej. Pierzaste skrzydło miało jednak ciekawe własności. O ile profil skrzydła błoniastego ustalał się tak, jak pozwalały mu na to siły aerodynamiczne i siły sprężystości błony lotnej, o tyle teraz możliwe było aktywne kształtowanie krzywizn poszczególnych jego fragmentów.

PTAKI I... RYBY

Jak już wiemy, ptaki muszą jednocześnie wytwarzać zarówno siłę nośną, pozwalającą pokonać ciążenie, jak i siłę ciągu, która równoważy
aerodynamiczną siłę oporu. Na podstawie obserwacji, trudno jednak odseparować elementy ruchu służące wytwarzaniu siły ciągu i to jest podstawym problemem dotyczącym tajemnicy lotu. Wydaje się, że jako pierwszy jej rąbka uchylił Otto Lilienthal. Zwrócił on uwagę na zmianę sylwetki ptaka widzianego od tyłu (ryc. 4). Przy ruchu skrzydeł w dół widoczna była spodnia część skrzydła, a przy ruchu w górę - górna. Doszedł więc do wniosku, iż ptaki zmieniają okresowo kąt natarcia skrzydeł w czasie ich ruchów i że właśnie ta zmiana wywołuje powstawanie siły ciągu. Nie wszyscy zgadzali się z jego poglądem. Dopiero metoda szybkiej fotografii pozwoliła dokładniej przyjrzeć się kolibrowi - rekordziście w szybkości i zakresie zmian kątów natarcia skrzydła (ramka obok).

Ryc. 4. Obserwując lot mewy z takiej właśnie perspektywy, Otto Lilienthal zwrócił uwagę na zmiany ustawienia końcówki skrzydła. W czasie ruchu do góry widoczna jest jasna, górna powierzchnia skrzydła, w czasie ruchu w dół zaś pojawia się jego zacieniona dolna powierzchnia

A jak poruszają się ryby? W tym przypadku sprawa wydaje się prostsza, ponieważ ciężar ciała równoważony jest wyporem wody (gęstość wody jest 800 razy większa od gęstości powietrza). Płetwy, odpowiedniki skrzydeł ptaków, służą rybom na ogół tylko do uzyskiwania siły napędowej. Rozwój fotografii podwodnej pozwala nam oglądać majestatycznie szybujące płaszczki. Ponieważ ich ruchy są powolne, możemy bez trudu zauważyć, jak zmienia się kąt natarcia końcówek ich wielkich "skrzydeł" przemieszczających się do góry i na dół. Wytwarzają one tylko siłę ciągu i są doskonałym modelem ilustrującym to, co dzieje się w powietrzu.

Przedstawione tu informacje, komentarze i wyjaśnienia sygnalizują tylko najważniejsze problemy związane z tajemnicami lotu zwierząt. Jak zwykle w życiu bywa, można znaleźć przykłady stanów lotu, których nie da się opisać za pomocą omawianych mechanizmów. Nie wszystko jest do końca jasne. A co na to Ewolucja? Zobaczymy za jakieś 150 milionów lat.

* Wolfgang Send zajmuje się zawodowo aerosprężystością, a hobbystycznie problemami lotu zwierząt. Na gruncie elementarnej mechaniki płynów opracował uniwersalny model powstawania sił w czasie periodycznych ruchów elementów wahających się zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej, z jednoczesnym obrotem. Za pomocą tego modelu można analizować lot ptaków, owadów, a także poruszanie się ryb.

Dr JANUSZ PIECHNA pracuje w Zakładzie Aerodynamiki Instytutu Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Politechniki Warszawskiej.