4. LET PTÁKŮ. 72 / Jak létají. Fascinace letem ptáků

Transkript

1 4. LET PTÁKŮ Fascinace letem ptáků Ptáci byli předmětem zájmu a obdivu člověka od nepaměti. Říká se má zrak jako ostříž, je moudrý jako sova. Nejsou to však jen vnější znaky ptáků, jejich chování a život ve společenstvech, hnízdění a péče o potomky, obstarávání potravy a krmení v letu, pronásledování kořisti či únik před predátory. To, co třeba jen nevědomky u nich především obdivujeme, je jejich umění pohybovat se a žít ve vzduchu a létat. Fascinuje nás, jak se dokážou mistrně vyhýbat překážkám při rychlém letu v husté vegetaci, jak se umí neomylně orientovat při dlouhých a namáhavých přeletech, jak se třeba sova dokáže neslyšitelně přiblížit ke své kořisti, jak kolibřík umí zastavit a setrvat na jednom místě před květem, z něhož získává potravu, či jak dravci z klidného letu vysoko nad krajinou dokážou přejít k prudkému střemhlavému letu a napadení vyhlídnuté kořisti, aniž by narazili do země. Jen několik zajímavých srovnání. Člověk je schopen vyvinout maximální rychlost odpovídající zhruba 3 až 4 tělesným délkám (výšce člověka) za sekundu. Nadzvukové letadlo při rychlosti rovné trojnásobku rychlosti zvuku uletí 32 svých délek za sekundu. Holub dokáže vyvinout maximální rychlost až 80 km/h, což odpovídá asi 75 tělesným délkám za sekundu, střeček vyvine rychlost i přes 120 km/h (rozhodně ale není schopen létat rychlostí zvuku, jak se někdy traduje), což by odpovídalo téměř 330 tělesným délkám za sekundu. Ještě výrazněji ptáci a hmyz předčí člověka i letadla v manévrovací schopnosti. Snesou zatížení až do 14 g, na rozdíl od vojenských letců, kde se jedná maximálně o cca 10 g po dobu několika málo sekund, jinak je to nejvýše do cca 3 g. 72 / Jak létají

2 Vznik ptačího letu Existuje mnoho způsobů ptačího letu, a to, který z nich a jací ptáci určitý způsob používají, závisí na mnoha faktorech na stavbě těla, způsobu života i na podmínkách, v nichž ptáci žijí, obstarávají si potravu a rozmnožují se. Jiný způsob letu budou volit ptáci žijící u moře, na vodě, ve skalách, v hustém lesním porostu a podobně. V podstatě existují dva druhy ptačího letu: pasivní, kdy letící pták vytváří vztlak, ale ne tah (klouzavý let, plachtění), aktivní, kdy pták máváním svých křídel vytváří nejen vztlak, ale i tah, který je zdrojem jeho pohybu. Kromě aktivního letu se všemi jeho variantami (zejména při startu a přistání) sem patří i let na místě vznášení. V obou případech lze let ptáků realizovat jen prostřednictvím křídel a jejich uspořádání, které je nejen druhově závislé, ale je podřízeno i účelu letu. Na aerodynamických vlastnostech křídel pak závisí do jisté míry i možný způsob letu a dosažitelný výkon. To znamená, na těchto vlastnostech závisí i energetická spotřeba letce a ovlivňují i celou jejich fyziologii, stavbu těla, kostry a svalů. Aerodynamické vlastnosti křídel závisejí nejen na tvaru profilu a skladbě křídel, ale i na dvou hlavních parametrech štíhlosti a na aerodynamickém zatížení. Oba tyto parametry úzce souvisejí s tvarem křídel. Štíhlost ovlivňuje zejména velikost profilového a indukovaného odporu. I když jsou křídla o vysoké štíhlosti energeticky výhodnější, nemusí být bezvýhradně lepší. Křídla eliptického tvaru a menší štíhlosti mohou dosáhnout většího tahu při mávavém pohybu, zatímco štíhlá křídla se špičatými konci mají zpravidla menší hmotnost a menší moment setrvačnosti. Pro dosažení dostatečného tahu musí křídla s malou štíhlostí Let ptáků / 73

3 mávat s větší frekvencí. Krátká, špičatá křídla mohou být výhodnější při vysokých rychlostech, protože umožňují pohyb křídel s vysokou frekvencí a sníženou setrvačností. Prohnutá křídla se zaoblenějšími konci vytvářejí větší vztlak u konců křídel, kde se křídlo pohybuje rychleji, a mají proto své přednosti pro ptáky, kteří létají pomaleji a potřebují velké zrychlení při startu. Toho využívá mnoho ptáků, jež se potřebují rychle proplétat hustými porosty nebo potřebují rychlé zrychlení pro únik před predátory. Dalším významným faktorem ovlivňujícím letové schopnosti ptáků je aerodynamické zatížení křídel, zpravidla udávané jako tíha v newtonech (N) dělená plochou křídel v m 2, někdy též v gramech (g) na cm 2. Ptáci s menším aerodynamickým zatížením křídel mají menší spotřebu energie, což má své přednosti při dlouhých přeletech. Většinou ptáci, které považujeme za vynikající letce jako např. vlaštovky, rorýsi mají malé aerodynamické zatížení křídel (např. vlaštovka 0,15 g/cm 2 ). Významnou charakteristikou letových vlastností, a to zejména pro posouzení klouzavého letu, je poměr vztlaku a odporu L/D. Právě tato hodnota udává schopnost být aktivním letcem, stejně tak jako schopnost úspěšně plachtit (albatros má L/D ~ 20, moderní větroně až 60)! Jedinci, u nichž je tato hodnota velmi malá (např. poletuchy s L/D ~ 2), jsou schopni jen velmi strmého klouzavého letu, ale schopnost aktivního letu, tj. schopnost vytvářet potřebný vztlak, nemají. To, co může být pro jeden druh předností, může být pro jiný záporem. U různých druhů se proto podle účelu vyvinuly různé tvary křídel s různými aerodynamickými vlastnostmi. Ty druhy ptáků, které mají dlouhá křídla s velkou štíhlostí, mají zpravidla také malé aerodynamické zatížení křídel, zejména je-li i jejich celková hmotnost nízká a mají úsporný způsob letu (např. mnoho mořských ptáků nebo rorýsi a vlaštovky). Ty druhy, jež mají velké aerodynamické zatížení křídel a krátká křídla, ale přitom jejich velkou štíhlost, jsou dobře přizpůsobeny k rychlému a úspornému letu (kachny, alky apod.). Ptáci, kteří musí 74 / Jak létají

4 prolétat hustými porosty, mívají malou štíhlost křídel, ale současně i malou hmotnost, aby se snížilo aerodynamické zatížení křídel a zvýšila hospodárnost letu. Pokud by to nedokázali splnit, byli by odsouzeni k poskakování po zemi, což je energeticky méně náročné než let. Ptačí let Aktivní let znamená, že se pták dostane do vzduchu, udržuje v letu a přistane vlastní silou, a to pohybem svých křídel. V naprosté většině se jedná o mávavý pohyb (výjimkou je jen kolibřík, který používá kmitavý pohyb křídel podobně jako hmyz). Máváním křídel musí letec (pták) vytvořit vztlak (tj. vertikální složku výsledné aerodynamické síly směřující nahoru), která vyváží tíhu letce (vertikální síla směřující dolů) a současně musí vytvořit tah (tj. horizontální složku výsledné aerodynamické síly směřující ve směru pohybu letce). Mávavý pohyb neznamená jen jednoduchý pohyb nahoru a dolů, ale je spojen s cyklickým pohybem křídel, vykonávajících v průběhu jednoho cyklu složitý, zpravidla krouživý pohyb, při němž se mohou měnit všechny aerodynamické i geometrické parametry křídel. Celý pracovní cyklus dělíme na dvě fáze na pracovní fázi, při níž vzniká potřebný vztlak a tah, a na vratnou fázi, při níž se křídlo vrací zpět do výchozí polohy pracovní fáze. I v této fázi může vznikat vztlak, ptáci se však v převážné většině snaží tuto fázi co nejvíce urychlit a vrátit se do výchozí polohy s minimálním odporem. Proto se přitom může měnit i geometrie křídel křídla se skládají k trupu mění se jejich plocha i odpor (např. i žaluziovým rozevřením letek). V průběhu obou fází se mění úhel náběhu křídel, to znamená, že musí dojít k nakroucení křídel, které je ve všech případech různé po rozpětí křídel u trupu se prakticky nemění, ke koncům křídel se mění podle účelu letu. Při pracovní fázi pohybuje pták křídly dopředu ve směru letu a prudce dolů. Úhel náběhu vnější Let ptáků / 75

5 části křídel je zpravidla velmi značný, aby bylo dosaženo maximálního vztlaku, ve vratné fázi přitahuje křídla k sobě a téměř s nulovým úhlem náběhu je obloukem proti směru letu vrací do výchozí polohy. Řada ptáků přitom roztáhne konce primárních per tak, aby umožnila volný průchod vzduchu a minimalizovala jejich odpor. Tímto způsobem probíhá aktivní horizontální let převážné většiny ptáků, v jednotlivých případech se ovšem liší, a to především v detailním nastavení křídel během celého pracovního cyklu, které do značné míry závisí na účelu letu a zvolené rychlosti letu. Jak se přitom uplatní rychlost a směr mávání, popř. odpor letce na aerodynamické síly působící na křídlo, je možno objasnit na diagramu rovnováhy sil. Pták se může pohybovat i klouzavým letem, aniž by pohyboval křídly. Takový let ovšem není aktivním letem, poněvadž jedinou hnací silou je zde vlastní tíha letce. Představu o pohybu křídel během pracovního cyklu získáme nejlépe ze znázornění rovnováhy sil na křídle. Musíme si ale uvědomit, že tato rovnováha bude v každém řezu křídla jiná (tj. v různých vzdálenostech od kořene křídla podél celé jeho délky, čili po rozpětí). Je to proto, že u kořene křídla je jeho výchylka i při mávavém pohybu křídla nepatrná, zatímco na konci křídla je jeho výchylka značná. Proto je i velikost vztlaku vytvářeného křídlem po rozpětí značně rozdílná (obr. 4.01). Křídlo může měnit svůj půdorysný tvar (plochu) a to nejen podle účelu letu, ale i při samotné vratné fázi, kdy se musí s minimálním odporem vrátit do výchozí polohy. Právě ve vratné fázi není už diagram sil tak jednoznačný. Bude záležet na tom, jak probíhá vratný pohyb křídla, resp. jak je křídlo nastaveno vůči výsledné rychlosti W. V podstatě na něm může vzniknout vztlak i tah, popř. i negativní vztlak působící směrem dolů. Z obr je vidět, jaký vliv má pro stejnou výchozí rychlost letu U směr pohybu křídel a velikost rychlosti mávání. Při mávání ve směru V 1 dostáváme relativně menší vztlak, ale poměrně velký tah. Tento způsob mávání křídly lze využít při delším 76 / Jak létají

6 Pracovní fáze L R L R efektivní vztlak L ef L R efektivní vztlak L ef D U D U tah U D W V W V Vratná fáze W V L ef L R U D tah Obr Síly na křídle v různých vzdálenostech od kořene křídla během pracovní a vratné fáze. Těsně u kořene křídla se pohyb křídla neuplatňuje. V obrázku je U rychlost letu, V rychlost mávání křídel, W výsledná rychlost (vektorový součet obou předchozích rychlostí), R výsledná aerodynamická síla, L vztlak, který je vždy kolmý na rychlost W, ovšem tzv. efektivní vztlak L ef, který vyvažuje sílu tíže, směřuje vždy v protisměru tíže (kolmo k Zemi), D je odpor křídla. horizontálním letu, kdy je nutno pouze pohlídat, aby vertikální složka výsledné aerodynamické síly R 1 byla dostatečně velká na vyvážení tíhy letce. Optimální směr a velikost mávavého pohybu je blízko V 2, což dává i poměrně velkou výslednici W 2, k níž významně přispívá i odpor D 2. Let ptáků / 77

7 R 1 L ef1 R 2 L ef2 L ef3 R 3 L 1 D 1 L 2 D 2 L 3 D 3 U 1 T U 2 U 3 W 1 V 1 W 2 V 2 W 3 V 2 Obr Vliv velikosti a směru rychlosti mávání křídel na vytváření vztlaku a tahu. Při přistávacím manévru začne pták brzdit svůj let máváním křídly v protisměru rychlostí V 3. Křídla jsou přitom nastavena plnou plochou proti pohybu a brzdí tak svým odporem D 3 let. Výsledná aerodynamická síla R 3 má dostatečně velkou vertikální složku vztlak, ale její horizontální složka tah T působí v opačném směru, tj. proti pohybu. Stejným způsobem můžeme znázornit i síly působící na křídlo při startu (obr. 4.03). Při startu ze země chybí výchozí rychlost U. V takovém případě je rychlost mávání V totožná s výslednou skutečnou rychlostí W. Odpor letce je zde hlavním příspěvkem k výsledné aerodynamické síle R, která ale nemá potřebnou velikost jak vztlaku, tak i tahu. Lze najít optimální směr pohybu křídel, při němž bude mít výslednice R největší hodnotu. To bude tehdy, bude-li R působit přímo ve vertikálním směru a vyvažovat tíhu letce. Není-li ale velikost R dostačující, musí si pták pomoci buď rozběhem, nebo výskokem. Při rozběhu rychlostí U r se nejen zvětší skutečná rychlost W a tím i bezprostřední vztlak, ale výslednice R může získat i složku do směru letu tah. Rychlost letu neovlivňuje pták jenom mávavým pohybem křídel, ale může ji velice výrazně ovlivnit i nastavením křídel, např. změnou jejich půdorysného tvaru. Jak mění tvar svých křídel při různých rychlostech v klouzavém letu sup, je patrno z obr (podle Hoška, 1976). Ještě výraznější je to u ptáků, 78 / Jak létají

8 výsledná aerodynamická síla R odpor vztlak vzletová rychlost tíha W Obr Síly působící na křídlo při startu rychlost mávání kteří loví pod vodou (např. racci, rybáci), kam se spouštějí střem hlav i z velkých výšek. Aby se zmenšil co nejvíce odpor jejich křídel, mají je přitažena k trupu s velkým lomením do písmene M, popř. zcela přitisknuta k trupu. Směr letu (tzn. zatáčení) řídí ptáci prakticky jen naklopením křídel. Ve vodorovném letu jsou momenty vztlakových sil na obou křídlech vzhledem k aerodynamickému středu letce vyrovnány. Naklopením křídla se změní jeho obtékání a tím i vztlak. Křídlo s větším vztlakem působí vzhledem k ose větším momentem a nakloní letce na stranu s menším vztlakem. Stejný mechanizmus se uplatní i při zmenšení plochy křídla. Nesouměrným zmenšením plochy křídla a nakloněním křídla lze tak uskutečnit i velmi rychlou změnu směru letu. Menších výchylek křídel lze dosáhnout nastavením per (krovek). Rychlé snížení výšky lze provést buď tzv. skluzem po křídle, nebo okamžitým zmenšením plochy obou křídel (např. připažením). Let ptáků / 79

9 vzestupné kroužení (6 ms 1 ) vodorovné kroužení (8 ms 1 ) klouzavý let (10 ms 1 ) rychlý klouzavý sestup (20 ms 1 ) let střemhlav (30 ms 1 ) směr letu Obr Schematické znázornění změny půdorysného tvaru křídla supa při změně režimu letu (podle Hošek J., 1976) Pro představu uvedeme několik příkladů: Holub patří k méně až středně rychlým ptákům (rychlost kolem 10 m/s). V horizontálním letu je i trup prakticky v horizontální poloze. Křídla jsou ve výchozí poloze pracovního cyklu vztyčena zhruba pod úhlem 50 k horizontální rovině. Během pracovní fáze se pohybují dolů a dopředu zhruba o 90. Ve vratné fázi se primární letky stlačí a stočí dozadu. 80 / Jak létají

10 Konce křídel se ohnou v zápěstí, natočí se spodní stranou nahoru, a teprve před dosažením výchozí polohy se vrátí do původního postavení a natočí zpět dolní stranou dolů. Bez ohledu na tento poměrně složitý pohyb konců křídel je vztlak vytvářen hlavně částí křídel mezi trupem a zápěstím, která se v pracovní fázi mírně natáčí a která nese hlavní aerodynamické zatížení, zatímco konce křídel významně přispívají k tahu. Zcela analogicky probíhá pracovní cyklus při srovnatelné rychlosti i u racka. Rozdíl je jen v rozsahu výchylky křídel a menšího pohybu jejich konců. Tady jsou křídla ve výchozí poloze vztyčena zhruba pod úhlem 30. Na konci pracovní fáze jsou křídla u trupu jen mírně pod horizontální rovinou, konce křídel zhruba 30 pod horizontální rovinou. Prohnutí křídel při vratné fázi nečiní více než 30. Pro srovnání jsou oba případy uvedeny na obr Obr Let holuba (v levé části obrázku) a let racka (v pravé části obrázku) (podle Brown R. H. J., 1948 a 1953) Let ptáků / 81