Ученые выяснили секрет птицы колибри — прототипа беспилотников
Маневренность колибри определяется строением их крыльев, в то время как на скорость полета птиц влияет в основном мышечная сила, доказали ученые из Германии и Канады. Статья с исследованием вышла в журнале Science, 11 февраля сообщает корреспондент ИА Красная Весна.
Для исследования заранее было отловлено более 200 птиц, принадлежащих к 25 видам семейства колибри. Ученые фотографировали колибри в полете, делая по 200 снимков в секунду для каждого исследуемого экземпляра. По серии фотографий строилась траектория полета, которая затем разбивалась на простейшие элементы. Каждый из этих элементов относили к одной из трех категорий: поступательных движений, вращений или поворотов.
Чтобы облегчить себе задачу, исследователи работали в связанной системе координат, которой обычно пользуются инженеры в авиационном деле. Ее начало совпадало с центром масс птичьего тела. Для поступательных движений вычислялась их линейная (м/c), а для вращений — угловая (число оборотов/с) скорость. При «плавных» поворотах определяли их радиус и соответствующее ускорение (м/с за секунду). «Резкие» повороты характеризовались величиной изменения курса в градусах.
Затем ученые доказали правомочность экспериментов в ограниченном пространстве — замкнутом контейнере объемом 6,75 м3. Ведь многие птицы в неволе ведут себя иначе, нежели в дикой природе, из-за отсутствия привычных естественных «ориентиров». Так, «диким» колибри, в отличие от их лабораторных собратьев, в полете приходится огибать преграды, ускользать от хищников и держать в поле зрения источники пищи. Однако расчеты показали, что исследуемые особи маневрировали в полете точно так же, как если бы находились в естественной среде обитания.
Определить по траектории полета, что за вид колибри перед нами, можно с вероятностью 34%, что несколько больше статистически ожидаемой величины (30%). Следовательно, разные виды хоть и ненамного, но различаются стилем маневрирования в полете. Чем ближе родство в пределах семейства, тем больше сходство колибри в манере летать. Углубленный статистический анализ показал, что разные виды в основном отличаются по склонности к вращениям и поворотам.
Также выяснилось, что разные факторы избирательно влияют на маневренность колибри. От мышечной силы зависит только скорость полета при движении по прямой и на поворотах. Способность к вращениям определяется нагрузкой на крыло (отношение массы к площади его поверхности), а умение поворачивать — удлинением крыла (отношение квадрата размаха крыла к его площади — прим. ИА Красная Весна). Таким образом, мобильность колибри больше связана с развитием мускулатуры, а «проворность» — с формой и размером крыльев.
Интересно также, что колибри обычно прибегает к тому или иному маневру тем чаще, чем с большей скоростью она способна его выполнить. Те виды, которые поворачивают в полете чаще других, делают это с большим ускорением. То же справедливо и для движений по прямой, и для вращений. Как этим птицам удается за доли секунды принимать оптимальное решение, еще предстоит выяснить этологам (специалистам, изучающих поведение животных — прим. ИА Красная Весна).
Отметим, что колибри известна своей способностью зависать в воздухе и летать задом наперед — больше никто из пернатых не способен на такие «чудеса воздушной акробатики». К этим уникальным птицам давно приковано внимание биомехаников, а также специалистов по бионике (наука об использовании природных закономерностей в инженерно-технической практике — прим. ИА Красная Весна).
Общий недостаток всех предыдущих исследований — попытка заранее ограничить траекторию полета колибри. Так, например, в работе 2016 года, где изучались аэродинамика «плавных» поворотов, птицам «разрешалось» кормиться только с вращающегося лотка. Канадские и немецкие ученые сознательно решили не ограничивать полет ничем, кроме стенок контейнера, что и дало долгожданный прорыв в понимании проблемы.
Вполне возможно, что сами ученые изучают колибри «из любви к науке», но мимо такого исследования вряд ли пройдут заинтересованные специалисты из других отраслей — в частности, военной. Ведь фундаментальные знания, добытые при участии этой безобидной птички, могут быть использованы как в классическом авиастроении, так и при проектировании беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Так, первая попытка перенять у колибри ее аэродинамический опыт случилась еще в 2011 году. Тогда компания AeroVironment — главный подрядчик Пентагона в сфере БПЛА — выпустила в свет шпионский дрон с красноречивым названием Nano Hummingbird (рус. «Наноколибри»). Куратор проекта Тодд Хилтон заявлял, что это изделие «открыло дорогу новому поколению летательных аппаратов с размерами и подвижностью, как у небольших птиц».
Можно ожидать, что новые разработки а-ля Nano Hummingbird от близких к Пентагону военных компаний не заставят себя долго ждать — ведь теоретическая база для таких разработок теперь значительно расширилась.
