Размеры животных. Почему они так важны - Шмидт-Ниельсен К.
Скачать (прямая ссылка):
Сходную с теоретической зависимость получил Гринуолт (Greenewalt, 1975b). Из его данных следует, что скорость полета должна быть пропорциональна нагрузке на крылья в степени 0,55. Нагрузка на крылья (вес на единицу площади крыла) в свою очередь пропорциональна I, и, следовательно, скорость полета для птиц должна быть
и~10>*6~М7°>18.
Это фактически соответствует принципам аэродинамической теории.
В большом теоретическом исследовании полета птиц Такер (Tucker, 1973) показал, что ожидаемые скорости полета, при которых цена транспорта минимальна, определяются как
где U выращено в м/с, а Мг — в килограммах. Коэффициент пропорциональности (14,6) будет ниже (13,1) при большем (на 20%) размахе крыльев и выше (16,7) при меньшем (на 20%) размахе. Для птицы массой 100 г усредненное уравнение дает скорость полета 9,2 м/с, а для 3-килограммовой птицы — 18,2 м/с, т. е. скорости будут различаться в два раза, что примерно соответствует диапазону измерений Такера и Шмидт-Кенига (Tucker, Schmidt-Koenig, 1971).
Хорошее «согласие» между птицами и учеными позволяет предположить, что птицы достаточно хорошо знают аэродинамическую теорию.
Сопротивление и цена полета
Как и рыбы, птицы движутся в жидкой среде и испытывают те же виды сопротивления, связанного с трением и с давлением. Однако если рыбу среда поддерживает, то птице, чтобы не падать, требуется постоянно создавать подъемную силу. При горизонтальном полете подъемная сила должна быть равна весу. Необходимость создавать подъемную силу воспринимается как сопротивление, которое называется индуктивным сопротивлением. Подъемная сила крыла пропорциональна плотности воздуха (р), площади крыла (S), приблизительно квадрату скорости движения в воздухе (U) и коэффициенту подъемной силы .(Cl):
L — ~y pSU2CL.
И подъемная сила, и сопротивление изменяются при изменении формы крыла, и особенно угла атаки, причем очень по-разному. Подъемная сила увеличивается пропорционально U2, однако индуктивное сопротивление обратно пропорционально U2, что делает полет с низкой скоростью очень дорогостоящим. Эти взаимоотношения очень затрудняют точное предсказание ожидаемой цены полета у птиц.
Теория для расчетов зависимости между мощностью, необходимой для полета, и размерами тела разработана Пенникуиком (Pennycuick, 1969) на основе аэродинамики полета вертолета. Эту работу продолжил Такер (Tucker, 1973), включив в теоретический анализ имевшиеся данные по метаболической мощности у птиц, полученные в аэродинамической трубе. В работу были включены данные по птицам от волнистых попугайчиков (35 г) до смеющейся чайки (322 г), включая также рыбную ворону (275 г), а также по двум видам летучих мышей, из которых большая — летучая лисица — весила 780 г.
В подробном анализе полета птиц Такер привел упрощенные уравнения для определения метаболической мощности (интенсивности метаболизма), которая прямо пропорциональна массе тела:
Рм.м. = 84,7М1Ьо,
где Рм.м. — метаболическая мощность в ваттах, Мт — масса тела в килограммах.
Максимальные размеры птицы, способной летать
Если необходимая для полета метаболическая мощность увеличивается пропорционально массе тела, а располагаемая мощность увеличивается с несколько меньшей скоростью, то из это»
го следует, что должны существовать максимальные размеры тела, выше которых активный машущий полет будет невозможен. Одна из самых крупных способных к полету птиц — африканская дрофа (Ardeotis kori), весящая около 13 кг. Она живет на земле, летает редко и на очень небольшие расстояния. Грифы и альбатросы в основном используют парение в ветре или в восходящих потоках термического происхождения.
У кр\ пных птиц не делали прямых измерений метаболизма в полете, а измерения метаболизма покоя мало полезны, поскольку нам неизвестен диапазон изменений метаболизма. В отсутствие более подходящей информации вышеприведенные рассуждения можно представить в виде простого графика (рис. 15.4).
Рассуждения относительно максимального размера тела, при котором еще возможен полет, использовал Уилки (Wilkie, 1959) для оценки возможности полета человека с помощью собственной мышечной силы. Уилки пришел к выводу, что хорошо тренированный спортсмен сможет поддержать в воздухе очень маленький самолет. Позднее его вывод подтвердился, когда был успешно осуществлен полет «Госсамера Альбатроса»— самолета, движимого мышцами человека. Этот самолет
Рис. 15.4. Мощность, необходимая для полета птицы, в сравиеиии с располагаемой мощностью. Линия регрессии для метаболизма покоя проведена с наклоном 0,72. Вторая линия имеет такой же наклон, ио относится к величинам, в 10 раз большим (фактически диапазон изменений может быть и выше). Третья ливня с наклоном в 1,0 соответствует рассчитанной мощности, потребной для полета. Эта лииня пересекается с линией регрессии для мощности в состоянии активности в точке, соответствующей массе тела 10 кг, что приблизительно соответствует размеру тела наиболее крупных летающих птиц. Линии показывают, что потребная для полета мощность растет быстрее, чем располагаемая мощность, и это ставит пределы максимальных размеров для способной к полету птицы.
