Лишённые полета

«Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума»

Н.Е. Жуковский «О воздухоплавании»

Соавторами работы являются Сергей Калугин, выпускник МИСиС и Валерий Лазаренко, выпускник БГУ имени Петровского, единомышленники гипотез расширения Земли и водородной дегазации. Наше многолетнее плодотворное сотрудничество привело к удивительным открытиям и интересным для любознательных читателей статьям.

По мере расширения Земли после разделения континентов, благодаря водородной дегазации планеты, площадь поверхности океанического дна увеличилась, что неизбежно привело к уменьшению атмосферного давления. Поскольку, подъёмная сила крыла пропорциональна плотности воздуха, то периоды резкого уменьшения атмосферного давления неизбежно приводили к невозможности подняться в воздух летающим существам, сила крыльев которых не могла преодолеть силу тяжести. В археологических находках и в фольклоре разных стран мира сохранились многочисленные свидетельства о крупных нелетающих птицах, вымерших в обозримую историческую эпоху.

Природа создала птиц и насекомых так, что строение их тел, и вся совокупность их условных и безусловных рефлексов, позволила им приспособиться к жизни в воздушном океане, плотность которого постоянно уменьшалась по мере расширения Земли. Вполне очевидно, что на пути эволюционного расставания с небом, прежде всего утрачивается наиболее энергетически затратная возможность взлёта, потом машущего полёта и только на последнем этапе — парение…

Эволюция обитателей воздушного океана

Кетцалькоатль

Кетцалькоатль (лат. Quetzalcoatlus) — род аждархид, включающий два вида, крупнейший птерозавр, обитал на территории современной Северной Америки, имел размер до 3,7 метра в высоту, и размах крыльев — 12 метров (по мнению некоторых палеонтологов и до 15 м). Из-за значительной массы и размеров крыльев Кетцалькоатль передвигался по земле, опираясь на локтевые суставы. Обитал на болотах и полях, а его рацион питания был примерно таким же, как у современных цапель. Строение клюва напоминало палочки для еды, которыми удобно брать рыбу и другую мелкую добычу. Чтобы оттолкнуться от земли и взлететь, Кетцалькоатль, вероятно, подпрыгивал на своих сильных задних ногах. В небе с расправленными крыльями он парил, как кондор. Приземлялся на задние ноги, делал небольшой прыжок, затем опускал крылья и выпрямлялся, стоя на четырёх конечностях. 

Вероятно, европейское происхождение Кетцалькоатля, имеющего достаточно обобщенную морфологию, подобную Гатцегоптериксу (Hatzegopteryx), найденному в Румынии. Огромные птерозавры могли совершать длительные трансконтинентальные полеты, так как Атлантического океана ещё не было, останки гигантских видов аждархидов находят и в Америке, и Европе.

Птица — Слон

Эпиорнис — эндемик острова Мадагаскар, самая крупная из известных птиц. Она достигала 3 – 4 метров в высоту, а некоторые особи весили более 600 кг. Благодаря относительной изоляции острова, эпиорнисы сумели сохраниться вплоть до 17 – 18 веков, в виде гигантских, к этому времени, уже не летающих птиц, которые были полностью истреблены человеком. Яйца эпиорниса объёмом 9 литров имели длину до 32 см, их до сих пор находят на Мадагаскаре, и они выставлены во многих палеонтологических музеях мира. ДНК анализ показал, что ближайший родственник эпиорниса — австралийская птица киви.

Псевдодонторнис

Ископаемый род птиц из миоцена и плейстоцена, с ложными зубами на верхней и нижней челюстях. Размах его крыльев достигал 6,5 метров. Питался такой гигант рыбой.

Аргентавис

Размах крыльев у птицы был до 7 метров, высота почти 1,5 метра, а вес от 40 до 70 кг. Полёт был преимущественно планирующий, а взлёт исключительно с выступов. Хоть он и имел мощные лапы, взлететь с земли не мог по той же причине, что и Пелагорнис, и стриж. Слишком большие крылья существенно усложняли взлёт с земли. Редкие взмахи крыльями использовались для коррекции направления, а для долгого планирования Аргентавис использовал восходящие потоки. Скорость полёта могла достигать 40 км/ч.

Питался исполин либо падалью, либо заглатывал жертву целиком. Для охоты, предположительно на крупных грызунов, Аргентавис падал на жертву камнем, оглушая несчастных животных своими крыльями, а после заглатывал обездвиженного грызуна целиком.

Пелагорнис

Кости пелагорниса (Pelagornis sandersi) были обнаружены ученым-любителем в 1983 году во время строительства международного аэропорта Чарлстон (штат Южная Каролина). Птица с размахом крыльев 6,5 метров относится к известному роду ложнозубых (Odontognathae). Появились пелагорнисы в палеогене, а вымерли в плиоцене. Хорошо сохранившиеся останки птицы помогли ученым смоделировать особенности её полета и ответить на вопрос, как он мог взлетать и удерживаться в воздухе, вопреки очевидным законам аэродинамики, жестко ограничивающим размеры современных птиц. Исследование представлено в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Загадку полета пелагорниса ученые попытались раскрыть с помощью программы Flight 1.25, которая рассчитывает особенности полета птицы на основе данных её веса, размаха и формы крыльев. Чем крупнее особь, тем больше энергии она тратит на взмахи крыльями. С некоторого уровня для полета нужно больше энергии, чем птица может получить. Именно поэтому, для машущего полета пределом является масса тела 12-16 килограммов. Но даже птицы, использующие парящий полет, вынуждены иногда бить крылом — при неустойчивом ветре, сбивающем их с курса.
Пелагорнис Сандерса, скорее всего, не мог взмахивать крыльями даже при взлете. Как дельтапланеристу, ему приходилось разбегаться и прыгать с высоких утесов, «надеясь» на то, что воздушные потоки подхватят его и понесут вперед. Огромные крылья усиливали аэродинамику парящего полета: концевые вихри там меньше, отчего падает лобовое сопротивление и возрастает скорость полета. Останки пелагорнисов находят по всему миру. Этот род просуществовал долго и, как показало исследование, отличался неплохими аэродинамическими показателями. Пелагорниса можно сравнить с современными странствующим альбатросом и морской чайкой.

Орел Хааста

Гигантский орел, обитавший на островах Новой Зеландии, достигавший веса 16 кг. Относительно небольшой размах крыльев (около 3 метров) компенсировался их значительной шириной, а большой хвост позволял маневрировать. Таким образом, орел адаптировался к активному полету в густых лесах. Огромные когти Хааста, достигавшие 11 сантиметров, позволяли ему прочно удерживать даже крупную добычу.
Официально считается, что орлы Хааста вымерли в 16 – 17 веках, когда колонисты завезли на острова Новой Зеландии крыс и кошек, которые уничтожали яйца птиц. Кроме того, охота народа Маори привела к вымиранию птиц гоа. Соответственно, для орла Хааста не стало добычи.

Могучий орел Гаффа (Dynatoaetus gaffae), был описан по коллекции окаменелостей, найденных между 1959 и 2021 годами, в вертикальной пещере глубиной 17 метров в штате Южная Австралия. Костные останки, в том числе крылья, ноги, когти, грудина и череп, показывают, что гигантская птица обладала когтями длиной около 30 сантиметров и размахом крыльев около 3х метров.

Моа

Динорнис (лат. Dinornis, что в переводе означает «ужасная птица») — род вымерших птиц, обитавших в Новой Зеландии, высотой до 3,7 м при массе около 230-278 кг, с длинной шеей и мощными ногами, маленькой головой с широким, плоским, загнутым книзу клювом и с полностью редуцироваными крыльями.
По немногочисленным останкам мягких тканей южных гигантских моа, известно также, что неоперённая нижняя часть ног птицы была покрыта твёрдыми, как рог, чешуйками. Мягкие, сильно рассучённые рыжевато-бурые перья своей структурой напоминали перья казуаров и эму.

Птица моа – эндемик Новой Зеландии. Её вымирание связывают с выжиганием лесов и истреблением древними полинезийцами в 1500-х годах. Однако, существуют неподтвержденные данные от местных жителей, которые встречали моа в конце 18 – начале 19 веков. Единственным опасным для взрослых моа врагом, вплоть до появления человека, был орёл хааста — верховный хищник острова Южный. Существенные неприятности птицам могли причинять и дожившие до наших дней попугаи кеа, имеющие привычку расклёвывать спины овец.

Пингвин

Пингвины (Spheniscidae) — семейство нелетающих морских птиц, единственное в отряде пингвинообразных (Sphenisciformes), в котором осталось лишь 18 видов из 69.

Самым большим из современных представителей является императорский пингвин (рост 110 -120 см, вес до 46 кг), самые мелкие представители вида Eudyptula minor — малый пингвин (рост 30 — 40 см, вес 1 — 2,5 кг). В начале 2023 года в Новой Зеландии обнаружили окаменелость гигантского пингвина (Kumimanu fordycei), массой 154 кг, в три раза больше современных собратьев.

Есть два варианта происхождения названия «пингвин»: от валлийского пен (голова) и гвин (белая), обозначавшую вымершую бескрылую гагарку (Pinguinus impennis) из семейства чистиковых. Другой вариант — от латинского слова «pinguis» — «толстый».

После разделения континентов и резкого падения атмосферного давления, эволюция пингвинов пошла по пути освоения водных просторов. Благодаря обтекаемой форме тела, что идеально для передвижения в воде, они успешно конкурируют с рыбами, ластоногими и китовыми. Мускулатура и строение костей позволяют им использовать под водой крылья как винты. В отличие от других нелетающих птиц, пингвины имеют грудину с чётко выраженным килем, к которому крепится мощная мускулатура. Плавание под водой отличается от полёта в воздухе тем, что на подъём крыла затрачивается та же энергия, что и на опускание, поскольку сопротивление воды больше, чем сопротивление воздуха. Поэтому, лопатки пингвинов имеют, по сравнению с другими птицами, бо́льшую поверхность, на которой крепится мускулатура, отвечающая за подъём крыла.

Несомненно, что пингвины в прошлом были летающими птицами. При бо́льшей плотности атмосферы и отсутствии сильных ветров, у них не было никаких препятствий для полета. Они и сейчас используют эту же технологию применительно к плотной среде воды.

Страус

Древним предком страусов считается птица литорнитоподибни (Lithornithiformes). Вероятно, летающие предки страусообразных птиц (бескилевые) расселялись на различные материки и острова путем активного полета. Уже на местах они шли по сходным эволюционным путям, осваивая открытые пространства степей и саванн, и постепенно превращались в гигантские нелетающие формы, по мере падения общеземного атмосферного давления. В то же время, увеличивалась масса тела птиц. Исчезала легкость скелета, был утрачен вырост грудины – киль, восстановился мочевой пузырь, и с этого момента, моча и экскременты стали выделяться раздельно. Постепенно восстановился закрытый тазовый пояс (только у киви он остался открытым), поскольку это способствовало более стабильному передвижению птиц по земле, путем хождения и бега. Перья перестали быть в виде пластин, а стали пухоподобными, исчезли аптерии и копчиковая железа. Вероятно, предки бескилевых потеряли способность к полету, когда их тело достигло массы 17-20 кг.

Ученые из Палеонтологического института РАН проследили, как эволюционировали страусы, и выяснили, что их предок сформировался на территории современной Восточной Европы и лишь позднее проник в Африку, где обитает до сих пор. Некоторые виды страусов проникли в Малую Азию, а оттуда расселились по внутренней Азии. Эти крупные нелетающие птицы в времена позднего миоцена расселились крайне широко — на восток до Монголии и Китая, и на запад до Испании и Канарских островов.

Африканский страус — самая крупная из современных птиц, и единственная нелетающая птица Старого Света, высотой до 270 см и массой до 156 кг [3]. Благодаря большому размеру, страусы хорошо представлены в ископаемой летописи, но, в основном, не костями, а легко сохраняющейся толстой скорлупой яиц, по которой можно проследить адаптацию птиц к новым климатическим условиям. На территории Северного Причерноморья появился новый тип некрупного страуса, скорлупа яиц которого была схожа со скорлупой современных видов. До ХV века в этом регионе находилась прародина поляков – Сарматия, и, неслучайно, на большей части дворянских гербов Польши изображены страусиные перья.

Нелетающих птиц много – это африканские страусы, пингвины, казуары, представители семейства пастушковых, особенно те особи, которые гнездятся на островах. Также не летает птица киви и представители отряда попугаеобразных – какапо (совиный попугай), обитающие в Новой Зеландии. Все эти птицы лишились способности летать вряд ли добровольно. Скорее всего, постепенное падение атмосферного давления привело к утрате подъемной силы их крыльев, и только некоторые виды приспособились к специфическим условиям окружающей среды.

В настоящее время из летающих птиц крупнейшими являются андский кондор (размах крыльев 3,3 метра), странствующий альбатрос (размах крыльев до 3,5 метров), амстердамский альбатрос (размах крыльев до 3,4 метра), королевский альбатрос (размах крыльев до 3,2 метра) и кудрявый пеликан (размах крыльев до 3,5 метров).

Аэродинамика птиц и насекомых

Научному исследованию полета птиц положил начало Леонардо да Винчи. В этой области работали и великие русские ученые Циолковский и Жуковский. Целый труд на эту тему написал и польский исследователь Джевецкий.
 
В прошлом, интерес к птицам и насекомым вытекал из желания узнать тайну их полета и построить по их образцу искусственное летающее устройство. Однако, развитие авиации пошло по пути использования неподвижных несущих поверхностей и тяги, которую создают вращающиеся воздушные винты, или выбрасывание газов реактивным двигателем. Сейчас основное внимание уделяют вопросам экономии энергии при полете живых организмов, преимущественно насекомых, которые при помощи маленьких крылышек могут поднимать в воздух относительно большие тяжести.

Крыло – чудо Природы

 
Крыло птицы гибкое — состоит из перьев, которые обладают способностью к движению. Перо состоит из центрального стержня, имеющего полый очин и заполненную концевую часть. Вдоль этого, как бы лонжерона, вырастают по бокам волоски-перья, имеющие поперечные волоски, которые заканчиваются крючками. Они зацепляются за волоски следующего пера, образуя гладкую поверхность. Передняя кромка крыла, усиленная костью скелета, покрыта мелкими перьями для создания лучшей обтекаемости. Вследствие этого передняя кромка толще, а сток тонкий. Перья уложены, как черепица, и при движении вниз создают не пропускающую воздух поверхность. При движении вверх, наоборот, воздух может проходить между перьями.
 
Часть крыла, состоящая из пальца с первыми перьями, образует крылышко или дополнительную узкую небольшую плоскость, которая в отодвинутом состоянии образует щель за передней кромкой. Не у всех птиц имеется такое «устройство». Посредством различного установления перьев, птица может менять профиль этой дополнительной поверхности. Таким образом, крыло птицы оснащено аэродинамическими устройствами, как у современного самолета; более того, устройства для изменения профиля дополнительной плоскости крыла самолета являются технически недостижимой мечтой авиаконструкторов.

Движение крыльев во время полета можно структурировать. В фазе «взмаха» вниз внутренняя и наружная части крыла опускаются вниз и образуют одну линию. Последующие фазы движения характеризуются изгибом линии крыла. Наружная часть опускается больше по отношению к внутренней. Крыло становится несущим. Потом начинается движение крыла вверх. Заметим, что поднимание крыла идет быстрее опускания. Наружная часть крыла делает концом волнообразное движение, внутренняя — только небольшое колебательное. При поднимании крыла несущая сила действует вниз, но также и вперед. При опускании несущая сила действует уже вверх, а также вперед (сопротивление действует постоянно назад — противодействуя полету). Вспомним, что во время поднятия крыла открываются щели между отдельными перьями, и эта вредная, направленная вниз сила значительно меньше направленной вверх силы, возникающей при опускании крыла. В результате получаем несущую силу, преодолевающую тяжесть, а также силу вперед, преодолевающую лобовое сопротивление воздуха.

Когда птица хочет получить дополнительную несущую силу, она перекручивает свое крыло, так что сила действует по большому углу атаки. Кроме того, поперечный профиль крыла приобретает форму свода, как крыло самолета с опущенными закрылками. Хвост птицы служит для управления и помогает при приземлении и при старте, увеличивая несущую поверхность.
 
Управление осуществляется путем независимой работы крыльев и изгиба тела в половине длины туловища. Птицы, имеющие ноги с плавательной перепонкой, пользуются ею как аэродинамическим тормозом. Частично складывая крылья, птицы способны совершать пикирующие полеты вниз, как это делают хищные птицы, падая на свою жертву.
 
Крылья работают при помощи непосредственного действия мышц, которые расположены вне плечевого сустава и прикреплены одним концом к грудине, а другим — к предплечью. Эти мышцы поднимают и опускают крыло. Другие мышцы, соединенные с локтем, движут крыло вперед и назад. Кроме того, они служат для сгибания или выпрямления предплечья. Все более крупные мышцы и более тяжелые внутренние органы размещены внутри туловища ниже крыльев, в то время как более легкие — выше крыльев. Таким образом, центр тяжести находится сравнительно низко по отношению к крыльям, что обеспечивает хорошую устойчивость птицы во время полета.

Движение крылышка насекомого изучено в значительно меньшей степени, чем птицы. По причине небольших размеров крылышка, на поток воздуха оказывает влияние небольшой слой, непосредственно прилегающий к стенке обтекаемого тела.

В отличии от птиц, крылья которых являются метаморфозой верхних конечностей, у насекомых крылышки являются специальным органом, и, в некоторых случаях, после периода полета они «отбрасываются». Крылышко насекомого состоит из двух слоев перепонки, на которой проходящие, как лонжероны, прожилки образуют складки. Расположены они на передней кромке для придания жесткости конструкции, причем, насекомые могут изменять степень жесткости своих крылышек. У большинства насекомых имеются по две пары крылышек, которые соединены вместе при помощи особого рода крючков на передней кромке или при помощи известного количества волосков.
 
Поперечные мышцы насекомых нажимают на спинную пластинку и, путем сокращения, поднимают крылышки, которые опираются на стенку легких. Таким образом, небольшие движения спинной пластинки вызывают значительные движения крылышек, но этих взмахов вверх и вниз недостаточно для полёта. Для воздухоплавания насекомого необходима помощь других мышц крылышек при перемещении вперед и назад. Полет насекомых, по сравнению с полётом птиц, является более совершенным, так как они могут лететь вперед, висеть неподвижно в воздухе и даже лететь назад, в зависимости от того, куда они направят созданную сложенными движениями крылышек струю воздуха. Центр тяжести насекомого находится значительно ниже и позади крылышек, так что вся схема полёта напоминает вертолёт.

Проведенные в Музее природы США опыты показали, что у насекомых имеется гироскопическое устройство, обеспечивающее полёт по установленному курсу, подобно «слепому» пилотажу самолета. Гироскоп насекомого представляет собою тоненький волосок с шариком на конце. Он подобен гиротрону, состоящему из колеблющегося на пружине грузика, стремящегося занимать в пространстве постоянное положение. Благодаря такому органу насекомое «чувствует», что отклонилось от курса, и выбирает желательное направление полета. Следует добавить, что изучением этого органа очень интересуются фирмы, выпускающие навигационное оборудование.

Метаболизм птиц

С полётом связана перестройка мышечной системы, в частности, увеличение размеров больших грудных мышц — опускателей крыла. Их масса составляет от 10 до 25 % массы тела птицы. Важной адаптацией, предназначенной для обеспечения высоких затрат энергии и, соответственно, высокой скорости метаболизма, является появление однонаправленного тока воздуха в лёгких — двойного дыхания. Воздух, попадая в воздушные мешки, проходит через лёгкие птиц при каждом вдохе и выдохе в одном и том же направлении, что позволяет, благодаря использованию принципа противотока, эффективно извлекать из него кислород. Поэтому, в выдыхаемом птицами воздухе около 12% кислорода, а у млекопитающих — 16%. Воздушные мешки обеспечивают эффективное охлаждение тела при интенсивной работе мышц во время полёта.

Чем меньше птица, тем больше пищи на каждый грамм массы тела ей требуется. С уменьшением размера животного, его масса убывает быстрее, чем площадь поверхности тела, через которую происходит потеря тепла. Поэтому, мелкие животные теряют тепла больше, чем крупные. Мелкие птицы за день съедают количество корма, равное 30–80% их собственной массы, а крупные — около 5%. Так, синица может за день съесть столько же насекомых, сколько весит сама, а крохотный колибри – выпить количество нектара, в 4–6 раз превышающее собственную массу.

Интенсивная двигательная активность птиц требует больших затрат энергии. В связи с этим, их пищеварительная система имеет ряд особенностей, направленных на эффективную переработку пищи. Органом захватывания и удерживания пищи служит клюв. У большинства птиц пищевод длинный с карманообразным расширением – зобом, где пища размягчается под влиянием жидкости.

Для того, чтобы кровь двигалась быстрее, необходимо повышенное артериальное давление, поэтому птицы – гипертоники. Активный окислительный процесс способствует поддержанию постоянной высокой температуры тела, что обеспечивает интенсивный уровень обмена веществ, быстрое сокращение сердечной мышцы и скелетных мышц, что необходимо для полета. Высокая температура тела также позволяет птицам сократить опасный период развития зародыша в насиживаемом яйце.

Физические закономерности полета

Атрибуты крыльев, смоделированные для гигантских птерозавров и трубконосых [8].

Название	Общее название	Размах крыльев	Масса	Площадь крыла	Нагрузка на крыло	Ссылка
		[м]	[кг]	[м2]	[H/м2]
Птерозавры
Птеранодон	—	5.43	36.68	1.60	224.79	[24]
Кетцалькоатль	—	9.64	259.06	11.36	223,66	[24]
Птицы
Диомедея вымирающая	Странствующий альбатрос	3.46	8.16	0,66	120.71	[122]
Диомедея вымирающая	Странствующий альбатрос	3.03	8.73	0,61	140.17	[101]
Диомедея иррората	Волнистый альбатрос	2.31	2.04	0,36	56.11	[122]
Thalassarche melanophrys	Черноклювый альбатрос	2.16	3.79	0,36	104.44	[101]
Thalassarche chrysostoma	Сероголовый альбатрос	2.18	3.79	0,35	105.62	[101]
Phoebetria sp.	Дымчатый альбатрос	2.18	2.84	0,34	82.43	[101]
Macronectes sp.	Гигантский буревестник	1.99	5.19	0,33	153,82	[101]
Procellaria aequinoctialis	Белогорлый тайфунник	1.40	1.37	0,17	79,52	[101]
Fulmarus sp.	Глупыш	1.13	0,82	0,12	64.48	[101]
Тупик тихоокеанский	Клинохвостый буревестник	1.01	0,38	0.10	37.28	[123]
Тупик родной	Рождественский буревестник	0,82	0,34	0,07	47.65	[123]

Аэродинамическое качество — это отношение подъемной силы к силе сопротивления воздуха. При установившемся полете подъемная сила равна силе тяжести летательного аппарата. Чем выше аэродинамическое качество, тем совершеннее аппарат, и тем меньше необходимая мощность двигателя. Самое высокое аэродинамическое качество имеют морские птицы, приспособленные к преодолению больших расстояний. Среди современных птиц альбатрос имеет наибольшую массу и самые совершенные, с точки зрения аэродинамики, крылья. Аэродинамическое качество с уменьшением размеров птицы несколько падает, но, в первом приближении, для птиц можно принять его независимым от массы.

Аэродинамический параметр, который определяется соотношением между силами инерции и силами вязкости, возникающими в обтекающем поверхность потоке воздуха, называется числом Рейнольдса (Re).

Re = V · L/n, где

V — скорость потока [м/с];
L — хорда крыла [м];
n — кинематический коэффициент вязкости воздуха равный 15,06·10^-6 [м²/с].
Величина числа Re определяет характер течения воздушного потока над поверхностью крыла. На малых числах Re преобладают силы вязкости и течение ламинарное, на больших — силы инерции и течение турбулентное. Критическое значение числа Re, разделяющее две основные области характеристик потока, составляет 120 000÷160 000.

Летающий объект	Число Рейнольдса	Отношение к Reкр
Комары и мушки	20÷1000	Re < Reкр
Бабочки	3000÷7000	Re < Reкр
Чайка	100 000	Re < Reкр
Махолет	1.5.106	Re > Reкр
Легкие самолеты	(2÷5).106	Re > Reкр
Транспортные самолеты	108	Re > Reкр

Число Re определяется формой несущей поверхности крыла. Для больших чисел Re, увеличение несущих свойств и уменьшение сопротивления требует обеспечения плавности обводов профиля.

Крылья птиц имеют механизмы адаптации к обтекающему их потоку. У основания каждого перышка есть рецепторы, которые помогают головному мозгу, выполняющему функции автопилота, адаптировать крыло и оперение к местному встречному потоку. Каждым своим перышком птица чувствует набегающий воздух. Создать такую поверхность крыла самолета человеку пока не удалось.

Птицы летают в той области малых скоростей и размеров, где очень существенны силы вязкости. Кроме того, частота маха птиц находится в пределах от 1 Гц у больших птиц до 200 Гц у маленьких. В этих условиях влияние нестационарности потока становится существенным. Одна из самых совершенных птиц современности — альбатрос — летает на сверхкритическом числе Re, и его крыло напоминает самолетное.

Геометрическая форма несущей поверхности крылышек насекомых оптимизирована на малые числа Re, где превалируют силы вязкости, и имеют форму пластин. Если увеличить крылышко самого совершенного насекомого-летуна до размеров, необходимых для поддержания человека в воздухе, то такое крыло будет обтекаться воздушным потоком с большими сверхкритическими числами Re, где преобладают силы инерции. Такое крыло окажется совершенно непригодным для полета человека.

Механическое перенесение особенностей аэродинамической компоновки живых существ, летающих в области докритических чисел Re, на летательные аппараты, использующие область сверхкритических чисел Re, обречено на неудачу. Никакая муха или птица не может стать прототипом для конструирования летательного аппарата, в том числе, и махолета.

Возможность полета определяют основные соотношения физических параметров тела, удачно подмеченные в работе Азарьева И. «Машущий полёт. Мифы и реальность».

При изменении линейного размера летательного аппарата или летающего существа, площадь поверхности изменяется в квадрате, масса — в кубе, необходимая мощность — в степени 3.5, нагрузки на мышцы крыла — в четвертой степени, а момент инерции — в пятой степени от изменения линейного размера [6].

L — (S~L²) — (M~L³) — (N~L^3.5) — (М_х~L⁴) — (I_x~L⁵)

В аэродинамике для обеспечения установившегося горизонтального полета летательного аппарата вводится понятие необходимой мощности, которая определяется по формуле:

N = M ^. g ^. V/k

М - масса летательного аппарата [кг]; 
g  - ускорение свободного падения [м/c2]; 
V  - скорость полета[м/с];
k  - аэродинамическое качество летательного аппарата.

Относительная мощность мышц изменяется как площадь их сечения, а объем (следовательно, и масса) — как куб линейного размера, поэтому при увеличении мощности мышц тело птицы уменьшается. Но, с другой стороны, маленькая птица или насекомое должны преодолевать большее сопротивление, обусловленное маленьким телом, вследствие вязкости воздуха, обтекающего его поверхность. В результате относительного роста мощности мышц, с одной стороны, и увеличения сопротивления, с другой стороны, муха может поднять в воздух 200% собственного веса, птица - 100%, а самолет только 50%.

При увеличении размера птицы площадь крыла изменяется медленнее, чем изменяется масса, т.е. с увеличением массы растет удельная нагрузка на единицу площади и, наоборот, чем больше удельная нагрузка на крыло, тем больше должна быть скорость полета. Из формулы Жуковского определяется скорость установившегося горизонтального полета:

V = (2^.М^.g/С_у^.ρ^.S)^0.5

где: Су - коэффициент подъемной силы в горизонтальном полете; 
       S  - площадь крыльев [м2]; 
       ρ  - плотность воздуха, в настоящее время при н.у. у Земли ρ=1,225  [кг/м3].

Из этого закона следует, что при уменьшении массы необходимая мощность уменьшается быстрее, и Природа позволяет маленьким птицам не только меньше заботиться о своем аэродинамическом совершенстве, но и иметь относительно менее мощную мускулатуру. Маленькие птицы компенсируют недостаток аэродинамического качества путем некоторого увеличения относительной мощности, за счет увеличения частоты маха. Например, колибри совершает до 200 взмахов в секунду. Большие птицы недостаток мощности компенсируют увеличением аэродинамического качества. Основное время полета они планируют в восходящих потоках воздуха.

Из-за того, что необходимая мощность для полета насекомых мала, они могут иметь несовершенные аэродинамические формы. У больших птиц относительная масса крыльев и мышц составляет больше половины массы тела, а у насекомых на порядок меньше. Становится понятно, почему летают жуки и прочие насекомые с такой несовершенной аэродинамикой.

Летающие существа совершают маховые движения крыльями, которые являются возвратно-поворотными. Такое движение связано с большими угловыми ускорениями, вследствие чего необходимо преодолевать инерционные моменты крыльев. Существо должно затратить дополнительную мощность своих мышц на торможение крыльев, а затем на их ускорение. И так два раза за полный цикл маха. Таким образом, энергия затрачивается не только на создание тяги или подъемной силы, но и на преодоление моментов инерции.

Из курса механики известно, что момент, необходимый для торможения и разгона крыла, пропорционален угловому ускорению и моменту инерции крыла:

M_x = I_x ^. j

где: Ix - момент инерции крыла относительно оси его маха [кг.м2];
       j   - угловое ускорение крыла при его торможении и разгоне [рад/с2].

Момент инерции определяется по формуле:

I_x = М_кр ^. z²

где: Мкр - масса крыла [кг];
           z - расстояние от центра тяжести крыла до оси маха [м].

Так как масса изменяется пропорционально кубу линейного размера, то момент инерции изменяется пропорционально 5-й степени линейного размера.

Проблему уменьшения необходимой мощности можно решить, увеличив площадь крыла и его аэродинамическое качество. Но, решив эту задачу, мы усугубляем проблему с моментами инерции. При увеличении площади крыла, например, в два раза, моменты инерции этого крыла увеличиваются в 7 раз. Кроме того, для повышения аэродинамического качества, необходимо увеличить размах крыла, что приведет к ещё большему увеличению моментов инерции. Таким образом, на современном уровне технологии, создать махолет с мускульным приводом не представляется возможным [6].

Природа изобретательна, и в своем развитии использует метод проб и ошибок, закрепляя удачные варианты в генетическом коде, передаваемом по наследству. За всю геоисторию известно огромное разнообразие летающих существ, но максимальных размеров они достигали при более высокой плотности воздушной среды.

Крупные пернатые перестали летать из-за падения атмосферного давления

В 1988 году, исследуя доисторическую атмосферу воздуха, законсервированную в кусочках янтаря, американские геологи Г. Ландис и Р. Бернер установили, что в меловый период атмосфера существенно отличалась не только по составу газов (кислорода было около 40%), но и по плотности. По их мнению, давление было тогда в 10 раз выше. Именно «густой» воздух и позволял летать ящерам с размахом крыльев более 11 м.

В научной корректности Г. Ландиса и Р. Бернера всё же придётся усомниться. Конечно, замерить давление воздуха в пузырьках янтаря — сложнейшая техническая задача, с которой они справились. Но данный метод не позволяет с точностью утверждать, что давление атмосферы было именно в 10 раз больше, чем сейчас. Несомненно, оно было больше современного, поскольку «усыхание» янтаря составляет более 20% от первоначального объёма, то есть давление воздуха древней атмосферы составляло 5-6 атм. и не могло уменьшиться в 10 раз со времен динозавров. Также, вызывает большие сомнения то, что янтарь может храниться в течении миллионов лет, так как это хрупкое и уязвимое органическое соединение. Солнечный камень не выносит перепадов температур, механического воздействия, прямых лучей Солнца, на воздухе окисляется и прекрасно горит. При этом нас уверяют, что данный «минерал» мог пролежать в Земле миллионы лет и прекрасно сохраниться? Подробнее об этом можно почесть в статье «Янтарь — свидетель Всемирного потопа».

В плотной атмосфере ПротоЗемли до разделения континентов, предельная скорость падения тел была в 1,6 раза меньше, чем сейчас. Люди не ломали бы себе конечности при падении с высоты своего тела, что при нынешнем атмосферном давлении часто происходит на скользкой поверхности, в чем человек «уникален» среди животного мира планеты. И, только при высокой плотности воздуха возникает эволюционная возможность научиться летать не приспособленным ранее для этого существам. Заметим, что при нынешнем атмосферном давлении, развить такое умение, практически, невозможно.

Вызывают сомнения и утверждения ученых, что нас с эпохой динозавров разделяют миллионы лет, тогда как камни Ики, мексиканские фигурки Акамбаро и многочисленные останки рептилий, говорят об обратном. Во времена гражданской войны в США, солдаты сбили огнестрельным оружием необычное существо. Искренне считая, что это неизвестная науке птица, они попросили фотографа запечатлеть их вместе с трофеем.

В середине XX века эту фотографию опубликовало несколько газет, после чего история получила огласку. Ученые, изучив снимок, в один голос утверждали, что это птеранодон — «беззубый летун». Анатомия существа до прожилок совпадает с более поздними находками палеонтологов, а военные того времени не могли создать такую фальшивку из-за отсутствия знаний о пропорциях этих существ, впервые описанных в 1876г. Кроме того, птеранодон отличался от других видов отсутствием зубов в клюве и длинным выростом на голове, выполнявшим роль руля в полете.

Мнения скептиков о том, что это тело летучей лисицы с головой птеранодона, рассеиваются, если внимательно сравнить структуру крыльев. У ящера перепончатое крыло поддерживается одним большим пальцем (четыре рудиментарных), а у летучей лисицы в крыле четыре больших пальца и один рудиментарный.

Пессимисты решили не верить ученым на слово, ведь современные технологии позволяют выявить подделку. Выяснилось, что фотография оказалась подлинником. Она никак не обрабатывалась, никаких замещений изображения посредством пленочного наложения также не было выявлено. Такие трофеи и фотографии оказались не единственными.

Орнитологи выяснили, что за последние десятилетия многие птицы стали меньше

В городах птицы очень часто теряют координацию, врезаются в высокие здания и разбиваются. В Чикаго волонтёры под руководством орнитолога Филдовского музея Дэвида Уилларда за 40 лет собрали 70 716 тушек таких птиц 52-х разных видов.

Тушки птиц изучили и поняли, что за четыре десятилетия размер туловища и лапок птиц стал меньше, а длина крыльев, наоборот, увеличилась.

Дальнейшие исследования ученых Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) показало, что за три последних десятилетия масса тела 105 рассматриваемых видов североамериканских птиц снизилась в среднем на 0,6%, а у некоторых видов — на 3%. Результаты были опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution.

Как утверждают орнитологи, более ранняя миграция, вызванная изменением климата за последние 40 лет, не влечет уменьшение размеров и удлинение крыльев птиц. Пернатые меняются независимо от сроков миграции, и небольшое падение давления атмосферы планеты, вполне может объяснить эти тенденции.

Источники знаний:

1. Раскрыт секрет полета крупнейшей птицы в истории Земли: Наука: Наука и техника: Lenta.ru:
2. Соболев Д. А. / ИДЕЯ ПОЛЁТА В ТРУДАХ ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ / Вопросы истории, естествознания и техники, № 3 2005.
3. Курочкин Е. Н., Богданович И. А. / К проблеме происхождения птиц: компромиссный и системный подходы. / Известия РАН, Серия Биологическая, 2008 № 1 с. 15—17, УДК 568.2(591.174)
4. Добринский Л.Н. / Динамика морфологических особенностей птиц / Москва, Наука,1981г.
5. https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1731620331&tld=ru&lang=ru&name=text.pdf&text=%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%8C%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B2%20%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%86&url=https%3A%2F%2Fwww.booksite.ru%2Ffulltext%2F1341301%2Ftext.pdf&lr=11470&mime=pdf&l10n=ru&sign=bffb5e2d11fbd0de96b953aa56fedd52&keyno=0&serpParams=tm%3D1731620331%26tld%3Dru%26lang%3Dru%26name%3Dtext.pdf%26text%3D%25D1%2583%25D0%25BC%25D0%25B5%25D0%25BD%25D1%258C%25D1%2588%25D0%25B5%25D0%25BD%25D0%25B8%25D0%25B5%2B%25D1%2580%25D0%25B0%25D0%25B7%25D0%25BC%25D0%25B5%25D1%2580%25D0%25BE%25D0%25B2%2B%25D0%25BF%25D1%2582%25D0%25B8%25D1%2586%26url%3Dhttps%253A%2F%2Fwww.booksite.ru%2Ffulltext%2F1341301%2Ftext.pdf%26lr%3D11470%26mime%3Dpdf%26l10n%3Dru%26sign%3Dbffb5e2d11fbd0de96b953aa56fedd52%26keyno%3D0
6. Азарьев И. / Машущий полёт. Мифы и реальность / 
7. Аэродинамика птиц и насекомых / Наука и Техника / август 1964 г.
8. Смехнов С. / Основы аэродинамики и динамики полета / Рига, 2010г.
9. Марк П. Уиттон, Майкл Б. Хабиб/ О размерах и разнообразии полетов гигантских птерозавров, использовании птиц в качестве аналогов птерозавров и комментариях о нелетающей природе птерозавров / PLoS ONE 5(11) / 15.11.2010 г.