Механики заставили сипуху пролететь через ветер

Британские механики и ветеринары проследили за полетом сипухи по коридору с вертикальным потоком ветра. Это помогло выделить два механизма противодействия порывам ветра: пассивным инерционным и активным аэродинамическим. За 80 миллисекунд крылья птицы самостоятельно поднялись вверх, оставляя неподвижным торс и голову, а затем уже скорректировала свой полет с помощью наклона крыльев и их формы. Работа, которая, в том числе, поможет небольшим летательным аппаратам справляться с турбулентными непредсказуемыми потоками воздуха и оставаться на траектории движения, опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society B.

Наземные животные справляются с неустойчивостью с помощью активного контроля и префлекса — пассивной мгновенной реакцией мышц и скелета. Так как птицам приходится справляться с непредсказуемыми порывами ветра, по скорости сравнимыми с их собственной, ученые предполагают, что подобный механизм есть и у них тоже есть такой механизм.

Пока что, однако, об этом известно не так много, так как исследования достаточно ограничены: необходимо знать как стимул (устройство потока ветра), так и реакцию птицы (кинематику ее движения). Не так давно исследователи рассмотрели полет колибри (Calypte anna) в коридоре с локальным вертикальным потоком воздуха — среди четырех колибри они обнаружили два механизма преодоления потока в шесть раз превышающего обычную скорость птицы: взмах крыльями и подгибание хвоста. 

В этот раз Джорн Чини (Jorn A. Cheney) с коллегами из Королевского ветеринарного колледжа и Бристольского университета решил проследить за полетом обыкновенной сипухи (Tyto albo) в условиях контролируемого вертикального воздушного потока. Средняя скорость полета сипухи Лили оказалась равной 7,7 метра в секунду — схожее значение ученые выставили в качестве самого мощного вертикального потока (но начинали они с небольших потоков, чтобы не навредить птице). 

С помощью съемки с десяти высокоскоростных видеокамер исследователи получили трехмерную модель птицы. При наглядном просмотре видеозаписей полета оказалось, что траектория движения центра массы птицы не изменилась даже при сильном порыве ветра.

На основе этого исследователи выдвинули два независимых механизма преодоления потоков воздуха: инерциальный (движение массивных крыльев снижает отклонение головы и торса) и аэродинамический (крылья меняют свою форму и угол, что сокращает подъемную силу). Для расчета вкладов обоих механизмов ученые предложили модель квазистатичной жесткой птицы, которая не изменяет своей формы при входе в поток. С помощью такой модели получилось оценить аэродинамический механизм преодоления потока (по разности положения центра масса реальной птицы и модели), а по отличию центра масс от центра торса птицы ученые оценили инерциальный вклад.

В первой половине движения сипуха поднимала крылья, что по закону сохранения импульса вынуждало ее торс опуститься и тем самым частично компенсировать подъемную силу потока. Такое движение занимало у птицы около 80 миллисекунд. Известно, что 80 миллисекунд — минимальное время реакции, замеченное для скворцов и сипух при корректировке их движения к стимулам. За это время птица успевает поменять угол наклона крыльев — тем самым стабилизируя свой полет аэродинамически. Авторы предполагают, что такой резкий подъем крыльев — пассивный. Благодаря этому механизму птицы могут свободно лететь по ветру, не контролируя силу в плечах, а вот при слишком больших изменениях птица корректирует угол наклона и форму крыла — но уже активно.

Подъемная сила, действующая на особую область крыла сипухи (приблизительно на 40 процентах длины крыла от плеча сипухи), не влияет на ее тело — в пример такого же явления авторы приводят удар битой по мячу в особой точке, в ходе которого бьющий не чувствует отдачи. 

Изучение механизмов полета птиц поможет разобраться со сложными задачами для воздушных аппаратов — например, как сохранить устойчивость кабины и ее траекторию в условиях турбулентного потока и при этом сократить вычисления. Инженеры уже начали приближаться к аналогичным формам крыла — недавно даже сделали беспилотник с голубиными перьями в качестве крыльев. 

Сипухи выделяются среди других птиц за счет соотношения размера крыльев к массе тела. Имея большой размах крыльев и сравнительно легкое тело, сипухи летают практически бесшумно. Несколько лет назад телеканал BBC выложил наглядную демонстрацию полетов голубя, сапсана и сипухи: пролетая над пухом, сипуха вызвала лишь слабое колебание, тогда как при полете голубя и сапсана он разлетался во все стороны.

Артем Моськин