“Шелковый альбатрос” расширил пределы того, чего можно достичь мускульной силой человека. Он совершил то, что должны были сделать машины Леонардо, причем ему не пришлось махать крыльями, словно птица, как предполагали конструкции Леонардо. Мускульная сила двигала “Шелковый альбатрос” вперед благодаря вращению пропеллера или винта. А подъемную силу аппарат получал косвенно за счет этого движения вперед.
Братья Райт в 1903 году положили начало активному полету, сконструировав двигатель внутреннего сгорания. В 1930-е появились реактивные двигатели. Удивительно, что между достижением братьев Райт и первым сверхзвуковым полетом прошло лишь около 40 лет. И еще через 20 лет представителей нашего вида запустили на Луну и обратно. Я здесь нарочно использую слово “запустили”. Ракеты стартуют в восточном направлении, чтобы воспользоваться скоростью вращения Земли, которая запускает их на орбиту, словно из рогатки. Европейское космическое агентство оборудовало стартовые площадки во французской Гвиане, поскольку она располагается близко к экватору, где вращению Земли легче всего вытолкнуть ракеты на орбиту.
Кстати, приведу очень простое объяснение, как действует закон Бернулли, без единого математического символа. Прежде всего нужно понять, что означает давление воздуха на молекулярном уровне. Давление на поверхность – это суммарное воздействие триллионов молекул, которые по ней барабанят. Молекулы воздуха непрерывно мечутся в случайных направлениях, меняя их всякий раз, когда сталкиваются с чем-нибудь, например, друг с другом или с поверхностью. Когда надуваешь воздушный шарик, его внутренняя поверхность находится под большим давлением, чем внешняя. Внутри больше молекул воздуха на кубический сантиметр, чем снаружи, поэтому каждый квадратный сантиметр резины подвергается более интенсивной молекулярной бомбардировке изнутри, чем снаружи. Возьмите карточку, которая с одной стороны красного цвета, а с другой – зеленого. В безветренный день молекулы бомбардируют обе стороны карточки с одинаковой частотой. Но если подставить карточку красной стороной туда, откуда дует ветер, темп, в котором молекулы будут бомбардировать красную сторону, повысится, и вы ощутите давление ветра на карточку. А теперь о законе Бернулли: поверните карточку горизонтально, красной стороной вверх, теперь ветер дует вдоль карточки (и обтекает обе ее стороны). Молекулы воздуха по-прежнему случайным образом отскакивают от всего, в том числе от обеих сторон карточки. Но движение молекул теперь отчасти определяется направлением ветра. Следовательно, на обе поверхности попадает меньше молекул – они проносятся мимо карточки. Это все равно что сказать, что давление на обе поверхности снижается: карточка не взлетает и не падает. Наконец, мы подстраиваем условия эксперимента так, чтобы ветер вдоль красной поверхности дул быстрее, чем вдоль зеленой. Возьмите для этого, скажем, два фена. Давление на красную поверхность уменьшится сильнее, чем на зеленую, и карточка поднимется вверх.
Глава 8
Активный полет у живых существ
Механика полета у живых существ сложнее, чем механика полета рукотворных машин. Отчасти потому, что машущие крылья толкают животное вперед (принцип самолета) и одновременно толкают воздух вниз (скорее как у вертолета). Если посмотреть, как летает птица в замедленной съемке, вы заметите, что изгиб крыла в сочетании с упругой гибкостью перьев толкает птицу вперед, а это, в свою очередь, обеспечивает подъемную силу двумя уже известными нам способами – ньютоновским и бернуллиевским. Одновременно движение крыла вниз дает подъемную силу само по себе, как мы знаем из начала предыдущей главы. Движение крыла вверх не производит обратного воздействия, отчасти это происходит благодаря кривизне крыла, а отчасти благодаря тому, что оно дополнительно изгибается, локтевой и запястный суставы подтягивают его внутрь, так что площадь крыла сокращается по сравнению с мощным движением вниз.
Птицы и другие летающие живые существа толкают себя вперед и обеспечивают подъемную силу при помощи крыльев. Крылья рукотворных летательных аппаратов дают подъемную силу, но не двигают аппарат вперед. Другую крайность, когда крылья отвечают только за движение вперед, но не за подъемную силу, мы наблюдаем у пингвинов, но это под водой, а не в воздухе. Пингвины легче воды, будто поплавки, им не нужны крылья ради подъемной силы. По суше пингвины ходят медленно и неуклюже, зато под водой мчатся, словно дельфины, хотя те толкают себя вперед иначе – при помощи движений хвоста вверх-вниз. И у дельфинов, и у пингвинов прекрасная обтекаемая форма. Должно быть, предки пингвинов без труда достигли такой обтекаемости, поскольку уже отчасти приобрели ее для полетов в воздухе.
Пользуются крыльями для подводного плавания и другие морские птицы – тупики, олуши, гагарки и кайры. Но они, в отличие от пингвинов, летают на крыльях и в воздухе. Оптимальная форма крыла для воздуха не такая, как для воды. Для подводного плавания больше подходят маленькие крылья. Тупики и кайры вынуждены довольствоваться компромиссом, тогда как пингвины получили возможность совершенствовать крылья исключительно для воды. Крылья у тупиков меньше, чем должны быть в идеале для полетов в воздухе, поэтому тупики вынуждены махать крыльями очень быстро, а следовательно, тратить много энергии. Одновременно их крылья больше, чем должны быть в идеале для плавания. Большие бакланы толкают себя вперед под водой огромными лапами, лишь слегка помогая крыльями, которые служат им в основном для полетов. Бескрылая гагарка, вымерший родственник кайры и гагарки, летать не умела, и ее крылья, как и у пингвинов, были идеально приспособлены для плавания. Иногда бескрылую гагарку называют северным пингвином, и в самом деле, ее латинское название – Pinguinus, но в близком родстве с пингвинами она не состоит. Крылья у нее были слишком маленькие для полета и по форме совсем как у пингвина. Словно бы предками бескрылой гагарки были северные гагарки, которые решили, что лучше расстаться с воздухом и делать что-то одно, но хорошо. Печально, что мы с вами лишены удовольствия видеть бескрылую гагарку своими глазами. Они вымерли из-за людей совсем недавно, в XIX веке. Может быть, наши внуки все-таки увидят бескрылую гагарку. Ее геном удалось секвенировать из образца, который хранится в музее в Копенгагене. Один мой коллега сейчас обсуждает возможность воспользоваться современными технологиями генной инженерии и, отредактировав геном гагарки, затем ввести эти клетки в гонады, скажем, пары гусей, и тогда из одного из их яиц вылупится бескрылая гагарка.
СЕВЕРНЫЙ ПИНГВИН
Увы, бескрылые гагарки вымерли в XIX веке.
Вернемся к полетам. Чтобы продвинуться вперед за счет крыльев, нужно совершать в воздухе движения, похожие на гребки. Колибри довели до предела частоту взмахов-гребков, так что крыло при взмахе вверх почти что переворачивается и слышится жужжание. Крыло колибри при взмахе вверх приносит почти столько же подъемной силы, что и при движении вниз, и дает колибри возможность зависать в воздухе, летать вперед спиной, вбок, а иногда и вверх тормашками. Умение зависать в воздухе стало для птиц важным эволюционным открытием. До этого монополией на нектар владели насекомые, поскольку только они могли садиться на цветки, а птицы были для этого слишком тяжелы. В Старом Свете водятся нектарницы – эквивалент колибри Нового Света. Висеть в воздухе умеют не все нектарницы, а только отдельные виды. А некоторые цветы снабжены особыми отростками, которые словно бы специально созданы, чтобы нектарницам было удобно присаживаться на них.
