Úvod » Aerodynamika a mechanika » Co umějí ptáci

Co umějí ptáci

Print Friendly, PDF & Email

Historie létání byla asi započata pozorováním letů ptáků a hmyzu. Je to už velmi dávno a zprávy z těch dob jsou kusé a málo přesné. Jedním z věrohodných pramenů jsou poznatky obsažené v „Kodexech“ Leonarda da Vinci. Ten se ještě létat nepokoušel, ač toho hodně vypozoroval a mnohému porozuměl. Pak je k dispozici několik, většinou ústních zpráv, které oznamovaly až do posledního desetiletí 19. století negativní a tragické zprávy o tom jak se lidé pokoušeli létat, protože vznášet se už dost dobře uměli.

A ptáci i hmyz, stejně tak jako třeba netopýři, poletovali stále ve dne v noci. To mnohé pány tvorstva, jak se občas nechají někteří obyvatele Země nazývat,  zajímalo i dráždilo. Takže se mnozí z nich snažili neumělým napodobováním mávavého letu pohybovat se vzduchem. Bylo to odvážné, avšak naivní a nebezpečné. Takže v těch lepších případech to skončilo jenom polámanými kostmi a pohmožděninami. V těch horších to dopadlo tragicky.

Máváním něčím podobným jako mají ptáci, hmyz a netopýři, to jest dvěma nebo čtyřmi (hmyz) polovinami ploch, jež měly vytvořit dostatečnou sílu pro let, se snažili pionýři letectví dosáhnout svého cíle. Přestože již mnoho století před tím třeba v Číně využívali úspěšně velkých draků, da Vinci popsal klouzavý let orla na počátku 16. století, I.Newton stvořil první matematickou formuli vztlaku pro desku o cca 100 let později, G. Cayley názorně předvedl jak je možné prostým klouzavým letem pohybovat se vzduchem a konečně O.Lilienthal to dokázal předvádět a neustále zlepšovat několik let v posledním desetiletí 19. století. Pak se konečně tyto a další poznatky rozlétly do světa a začala úžasná éra letectví se středisky v USA, ve Francii, v Německu, Italii, v Rusku a také jinde.

Byly opuštěny koncepce profilů nosných ploch zprvu ve tvaru rovných desek a později i prohnutých, ale velmi tenkých profilů. Připomenutím Cayleyových odkazů a mnoha výsledků různých badatelů nastala hlavně zásluhou Junkerse a Fokkera éra tlustých, přiměřeně prohnutých profilů. Ty postrčily celé letectví kupředu významně. A to se těmito cestami vydalo úspěšně.

A přesto přeze všechno mnozí stoupenci letectví stále ještě přemýšleli o tom, jak by se dalo například ze zkušeností ptáků postoupit kupředu lépe. Někteří tuto inspiraci neopouštěli ještě po delší dobu, i když měli již k dispozici průkazné úspěšné výsledky s pevnými nosnými plochami. Patřil mezi ně například i bratr O.Lilienthala, Gustav.

Jestli je nebo není ještě možné něco načerpat z ptačího „letového know-how“ je obtížné rozhodnout. Nějakou dobu se zdálo, že již asi moc ne. V posledních několika desetiletích se však objevily nové materiály, technologie a různá příslušenství  a ty umožnily rozvoj neřízených létajících prostředků, známých pod zkratkou UAV. A v tomto oboru se dějí věci přinejmenším zajímavé, ne-li skoro neuvěřitelné.   V provozu jsou bezpilotní létající prostředky (Unmanned Aerial Vehicles), které nejen, že mávají křídly, ale jsou dost věrnými napodobeninami ptáků samotných. A to i v malých velikostech.

A proč už o tom zase píšeme?

Podívejte se na následující video, kde výr obecný, útočí na kameru, která zachytila jeho nálet se všemi proměnami jeho nosné plochy.

Je to úžasné, co pták dokáže se svou ptačí schránkou udělat za letu. A to ještě neuvádíme záběry jiných ptáků v prudkém sestupném nebo střemhlavém letu, kdy jsou jejich křídla k nepoznání změněnna.

My jsme si dovolili z tohoto videa vypůjčit několik okamžitých záběrů na zvolené fáze letu. Tyto obrázky jsme opatřili našimi komentáři, abychom se pokusili  poláru letounu (v tomto případě ptačího dravce)  přiblížit bližšímu pochopení pro širší leteckou veřejnost. Neboť grafická závislost součinitele vztlaku a součinitele odporu ( tomu se v leteckém názvosloví říká polára -profilu, křídla nebo celého letounu) a ještě k tomu doprovázena příslušnými úhly náběhu, sice již více než před 115 lety stvořená O.Lilienthalem, je pro mnohé adepty letectví pojmem více méně neskutečným. Takže jsme to zkusili pomocí videa, fotografií a několika diagramů.

Ptačí dravec, v tomto případě výr obecný, letí směrem vzhůru těsně při mírném svahu a možná využívá i svahového proudění – to je na 1. obrázku. Po několika sekundách následuje změna vzepětí mosné plochy a vysunutí „brzdných štítů“ – to je na 2. obrázku.

 

V další fázi letu je nová rovnováha letu a příčná stabilita zajištěna změnou tvaru a velikosti vzepětí při současném vysunutí podvozku a větším vychýlením ocasu(snad teď funguje jako VOP pro kompenzaci vzniklých klopivých momentů)- to je ve 3. obrázku. A na 4. obrázku předvádí výr co dokáže dělat s nosnou plochou, když třeba nemá vektorizaci tahu.

 

Nyní  následuje korekce náklonu, zřejmě rozdílnou změnou zakřivení polovin křídla-to je v obrázku 5. V 6. obrázku předvádí výr skoro všechny vymoženosti svého aparátu-vysunutí podvozku, zvětšení plochy a změnu jejího tvaru, změnu vzpětí, úpravu konců křídla kvůli indukovanému odporu a určitě ještě něco jiného co jsme nepostřehli.

 

A další dva obrázky dokazují co ptáci se svým „drakem“ dovedou. Je to pohyb při obrovském úhlu náběhu, při posunu těžiště kupředu(všimněte si jak přednožil) a klesání způsobem STOL.  V další fázi je to úprava polohy vůči zbývající prolétávané dráze, zřejmě kvůli zvýšení klesavosti a přesného dosažení cíle.

  

A na posledním obrázku je uchvácení kořisti(kamery) se zarputilým výrazem úspěšného lovce.

Co s tím, ale má mít společného letectví?!?! Mohlo by to skončit třeba tak, jako v jedné písni…“na ptáky jsme krátký páky,….“ a hotovo.  Zatím jsme za ptáky pozadu, ale ten rozdíl se  zmenšuje, i když lidi se ubírají trochu jiným směrem.

Vraťme se  zpátky k Lilienthalovi a nyní k profilům, které testoval ve snaze poznat velikosti vztlaku a odporu při různých postaveních zakřivených ploch vůči směru letu(máme teď na mysli úhly náběhu).

Několik jeho tenkých profilů, jejichž geometrické charakteristiky vznikly zkoumáním křídel ptáků a pozorováním tvarů vlajícího schnoucího prádla ve větru na šňůře, je v následujícím obrázku.

A v dalším obrázku je legendární Lilienthalova polára velmi tenkého prohnutého profilu, u níž proměřil tehdejšími nástroji a kvalitou jenoduchého „aerodynamického tunelu“ velikosti vztlaku a odporu v rozsahu úhlů náběhu od 0° do 90°. Na osu svislou byl vynášen součinitel vztlaku a na osu vodorovnou součinitel odporu. Úsečky vycházející z počátku souřadnic opatřené šipkami znázorňují velikost a směr  součinitele výsledné aerodynamické síly.

Pokusil jsem se zachytit modrými číslicemi v okolí poláry letové situace, v níž se výr během letu nacházel, podle pořadí obrázků vybraných z videa. Dovolil jem si rovněž upozornit červeným komentářem na to, co si mohou při velkých úhlech náběhu ještě dovolit létající stroje s pevnými křídly. Ptáci mají jak vidno větší rozsah letových poloh aniž by došli k úhoně. Zatím.

Vrátíme-li se k tomu, co se mnozí pionýři letectví snažili zjistit nekonečným zkoumáním profilů ptačích křídel, tak můžeme pomocí jednoduššího programu simulovat jak asi fungují ptačí profily(křídla), odhlédneme-li od materiálů z nichž jsou stvořena. I když to může mít nemalý vliv.

V dalším obrázku jsou tři hypotetické tvary profilů, o nichž si myslíme, že by se mohly alespoň vzdáleně podobat některým ptačím. Jsou to tenké profily s maximální tloušťkou kolem 6%, ale s rozdílným prohnutím. V rozmezí od 4,9% do 11,1%. U větších hodnot počítač trucoval a tak se musíme spokojit s tím co máme.

V dalších čtyřech obrázcích jsou diagramy aerodynamických vlastností těchto profilů. Průběhy jednotlivých čar mají dostatečné vypovídací schopnosti a proto je nebudeme dále složitě komentovat. Připomeneme pouze, že bylo zvoleno Re číslo o velikosti odpovídající proudění kolem mnoha ptačích křídel i středně velkých modelů. Při získávání těchto dat bylo zjištěno, že kritické Re číslo mělo hodnoty kolem 140 000. Což neodpovídá dosavadním poznatkům z leteckého modelářství nesčíslněkrát ověřeným. Vzhledem k tlouštce by mohlo být maximálně asi poloviční. 

Zajímavé je rovněž zjištění, že součinitel odporu u takovýchto hodně prohnutých profilů není při malých součinitelích vztlaku až tak velký. Současně stojí za pozornost připomenout příznivý průběh klopivého momentu, jakkoliv jsou jeho hodnoty dost vysoké. Vztlaková čára, pokud se počítač nepřepočítal, není pro nejvíce prohnutý profil také bez zajímavosti.

Z těchto údajů by mohlo vyplývat, že to skupiny velmi dobrých ptáků-letců mají se svými profily do všelikých povětří, dobře nastaveno. Není z toho však třeba vyvozovat přehnané závěry. Může to být  také pouhá shoda okolností nebo něco jiného. 

Přesto jsme pokládali za zajímavé se u toho zastavit a rozhlédnout se kolem.   

5. 1. 2012 © Jaroslav Lněnička


Reagovat na článek

Archiv