В аэродинамике для обеспечения установившегося горизонтального полета летательного аппарата вводится понятие потребной мощности, которая определяется по формуле
Nп = M * V / k, здесь М – масса летательного аппарата; V – скорость полета, k – аэродинамическое качество летательного аппарата.
Аэродинамическое качество – это отношение подъемной силы (при установившемся полете она равна силе тяжести летательного аппарата) к силе его аэродинамического сопротивления. Чем выше аэродинамическое качество, тем совершеннее аппарат, и тем меньше потребная мощность двигателя. Аэродинамическое качество у птиц изменяется в широких пределах. Самое высокое аэродинамическое качество имеют морские птицы, приспособленные к преодолению больших расстояний, а среди них выделяется альбатрос, имеющий наибольшую массу и наиболее совершенные с точки зрения аэродинамики крылья. Аэродинамическое качество с уменьшением размеров птицы несколько уменьшается, но в первом приближении для птиц можно принять его независимым от массы.
Рассмотрим, как изменяется скорость полета при изменении массы птиц.
В соответствие с законом 1-2-3 площадь крыла изменяется медленнее, чем изменяется масса, т.е. с увеличением массы растет удельная нагрузка на единицу площади и наоборот. Изучение влияния удельной нагрузки на скорость полета птиц показывает, что, в общем, имеется определенная закономерность между этими двумя параметрами: чем больше удельная нагрузка на крыло, тем больше скорость полета, и наоборот. Скорость установившегося горизонтального полета определяется по формуле
V = (2*М/r*S*Су)> 0.5;
где Су – коэффициент подъемной силы в горизонтальном полете; r – плотность воздуха.
В первом приближении (специальные исследования подтверждают это) можно принять, что Су не зависит от размеров птиц, следовательно, скорость полета пропорциональна (M/S)> 0.5, т.е. линейному размеру в степени 0.5. Таким образом, потребная мощность пропорциональна увеличению линейного размера в степени 3.5, и закономерность будет иметь следующий вид
1 (L) -2 (S) -3 (M) -3.5 (Nп).
Конечно, из этого правила много исключений, но нам интересна общая тенденция.
Таким образом, с увеличением размеров существа потребная мощность увеличивается быстрее, чем его масса, и наоборот. Вы обратили внимание, как летают большие и маленькие птицы? Большие птицы совершают, в основном, планирующий полет, используя восходящие потоки воздуха, и машут крыльями, преимущественно, на взлете. Маленькие птички в течение всего полета энергично машут крыльями, и чем меньше птичка, тем частота махов больше. Например, у самой маленькой птички колибри частота маха 200 Гц.
Из этого закона следует, что при уменьшении массы потребная мощность уменьшается быстрее, и Природа позволяет маленьким птичкам не только меньше заботится о своем аэродинамическом совершенстве, но и иметь относительно менее мощную мускулатуру. Маленькие птички компенсируют недостаток аэродинамического качества путем некоторого увеличения относительной мощности за счет увеличения частоты маха. Большие птицы недостаток мощности компенсируют увеличением аэродинамического качества и изменением режимов полета (частота маха уменьшается и большая часть полета – это планирование в восходящих потоках).
Если мы перейдем к насекомым, то здесь масса уменьшается скачкообразно, а потребная мощность оказывается настолько малой, что насекомое легко компенсирует все несовершенство аэродинамики. У больших птиц относительная масса крыльев и мышц составляет больше половины массы птицы, а у насекомых на порядок меньше. Теперь становится понятно, почему летают жуки и прочие насекомые с такой несовершенной аэродинамикой.
