Полеты ящеров

Механизм двигательного аппарата самых крупных летающих животных в истории Земли

Памяти отца посвящается.

***
Предупреждение. В человеческом языке часто встречаются двусмысленные понятия, которые без специального уточнения могут внести путаницу с далеко идущими последствиями. Чтобы избежать этого, давайте сразу договоримся - под термином "птерозавры" я буду иметь в виду ящеров группы "птеродактилей", исключая "рамфоринхов", которые в официальной науке так же относятся к птерозаврам. Рамфоринхи принадлежат к другой ветви летающих рептилий, использовали для полета иной принцип и здесь не рассматриваются вообще.

***
Теоретическое исследование и физическое обоснование способа полета одних из первых крупных летающих существ в истории Земли - птеродактилей.

***
Парадокс эволюции - птерозавры использовали силу земного притяжения, чтобы летать!

Некоторое время назад некто Blade на сайте http://pla.by.ru писал:

"...наиболее простым и экономичным вариантом для махолета на данный момент представляется гибкое крыло, приводимое в движение с помощью резонанса, и изменяющего крутку (угол наклона) за счет своей конструкции и гибкости. 

...В существующих конструкциях главным препятствием к осуществлению в нормальном масштабе является "момент инерции". Возьмите листок бумаги, им махать легко и можно достичь огромной частоты взмахов. Листом фанеры махать значительно тяжелей, а о том чтобы делать это быстро, уже и речи не идет. Ну а каково махать крылом с площадью 12..16 кв.м. можете представить сами, пусть даже с частотой 1 взмах в секунду (1 Гц). Дело в том, что с ростом линейного размера (например, длины), площадь растет в квадрате, объем (масса) в кубе, а момент инерции в пятой степени. 

Но не стоит отчаиваться, вспомним о том, что самолет братьев Райт тоже появился на свет вопреки догматам существовавшей в те времена науки. Известны и другие "казусы" природы, например, согласно взглядам современной науки обычная утка для возможности полета должна разгоняться до 200 км/час, а гусь весом в 4 кг должен обладать мощностью в 1 л.с. (736 Вт). Хотя на самом деле среднестатистический гусь может развить мощность не более 17 Вт, что совершенно не мешает ему летать со средней скоростью 70..80 км/час. Майский жук, согласно расчетам той же науки, покорившей высоты в 30 км и сверхзвуковую скорость, не может летать в принципе. Но ведь летает! Кроме того, наблюдения за птицами показывают, что их затраты на полет (если перевести в наши пропорции), окажутся примерно 1 литр топлива на 100 км полета для аппарата весом 300 кг. Согласитесь, есть к чему стремиться...

В основном, оптимизм приверженцев машущего полета объясняется идеей, что само по себе совмещение функций создания подъемной силы и тяги в одном устройстве - крыле, это есть хорошо. В наличии также экспериментальные данные о том, что с увеличением массы модели с машущим крылом необходимая мощность для махания изменяется непропорционально изменению размеров, а немного "отстает". Т.е. тяжелая модель (3..5 кг) с машущими крыльями намного экономичней маленькой (300..500 г). Далее идут перекрестные ссылки на "принцип Жуковского" - отбрасывать большие массы воздуха с малой скоростью, "хитрый" механизм управления крыльями, чтобы в каждый момент оно находилось в наиболее выгодной позиции и под наивыгоднейшим углом атаки и т.д. Все это позволяет надеяться, что когда (и если) будет создан настоящий летающий махолет, он окажется самым экономичным летательным аппаратом из всех созданных человеком до сих пор.

Грубо говоря, сейчас считается, что для создания махолета надо махать крылом площадью 12..16 кв.м с частотой 1 Гц, т.е. не реже одного взмаха в секунду. По некоторым расчетам, для этого необходима мощность 3..5 кВт, а человек, к сожалению, не способен выдать более 1.5 кВт, поэтому так распространены проекты моторных махолетов..." \ Blade \ http://pla.by.ru

*** Г.К.В.
Таким образом, идеальная гипотетическая модель махолета по своим внешним параметрам, скорее всего, напоминает строение тела вымершего успешного летуна - птеродактиля. Возможно, повторив это изобретение природы, нам удастся, наконец, освоить свободный машущий полет? Повторить внешние параметры конструкции - вполне доступно, материалы для этого есть, есть даже наиболее близкий летающий аналог - дельтаплан, хотя он воспроизводит только 
неактивную фазу полета птеродактиля - парение. Остается только воспроизвести механику движения летной плоскости относительно полезной нагрузки с учетом специфики применения человеком.

Однако, прежде чем строить действующую модель птерозавра, нужно разобраться, как же они летали? Явно, не как птицы, хотя их везде изображают очень похоже. Думаю, что это в корне неправильно. Как максимум, они так же могли парить (планировать). Но это очевидно и не представляет проблемы. 

А вот активный полет они осуществляли совсем не так. Это отличие диктуется, во-первых, свойствами материала, из которого состоит несущая плоскость. У птиц она "прозрачна" в одном направлении - при холостом ходе (поднятии крыла) перья раздвигаются и свободно пропускают воздух. Имитировать такой способ достаточно сложно в изготовлении и малорентабельно из-за большого сопротивления, возникающего в результате капиллярного эффекта и турбулентности. А вот крыло птерозавра представляло собой плотную мембрану, натянутую на легкий каркас, что чрезвычайно заманчиво для повторения в технике из-за простоты изготовления и дешевизны конструкции.

Но как именно птерозавры пользовались своими крыльями, никто пока достоверно объяснить не может. Варианты "выписывания восьмерок" и других сложных фигур не выдерживают ни критики, ни испытаний.

***
Однако я попытаюсь сейчас разобраться, как же это могло происходить на самом деле...

Что бросается в глаза в первую очередь при виде скелета птеродактиля? Громадная голова с толстой шеей на тщедушном теле. Как утверждается в канонических источниках, она была "очень легкой". Это основано на данных фоссилий. Вполне допустимо. Но фактически легкой была только костная часть, каркас - и это правильно. Зачем делать каркас сооружения тяжелым, когда его можно сделать легким при той же прочности? Однако голова в целом не была 
пустотелой, а заполнена мускулатурой, другими мягкими тканями и жидкостями. Например, чтобы привести в действие такие длинные челюсти, нужна была весьма мощная, а значит, и массивная, мускулатура. 

Какой смысл делать голову таких пропорций, если ее ничем не заполнять? (Или заполнять воздухом). Не проще ли сделать ее не такой крупной, например, маленькой, как у птиц - и явно легче, и аэродинамическое сопротивление меньше. 

Если она не была пустой, следовательно, она имела плотность, близкую к средней плотности всего тела. И это было для чего-то нужно.

Схема устройства тела птерозавра порождает еще одну проблему. Какой бы "легкой" голова не была, при существующей на рисунках компоновке она перевесит и птерозавр кувырнется вперед. Однако почему-то природа сделала ее именно такой - крупной и вероятно, массивной. И это было целесообразно.

А крылья? Огромные крылья и маленький хвостик. С точки зрения механики - явно несбалансированная конструкция. Кроме того, чтобы махать такими крыльями по птичьему способу - нужна развитая грудная мускулатура, крепящаяся к крупному килю-грудине. Но в том-то и дело, что соответствующая мускулатура птиц гораздо массивнее, мощнее при меньшей площади крыльев! Также, существующие реконструкции достоверно показывают, что эта часть тела птерозавра была относительно меньше, чем аналогичная у птиц, косвенно свидетельствуя против "птичьего способа полета" в пользу другого, альтернативного.

Из этого напрашивается вывод, что для полета птерозавры использовали совсем другой способ привода.

Некоторые скептики, основываясь на данных, полученных с использованием птиц, высказывают сомнения, что крупные птерозавры вообще умели летать. Однако неоспорим тот факт, что птеродактили были достаточно хорошими летунами. За это говорит хотя бы только то, что они в свое время вытеснили более ранних птерозавров - рамфоринхов, пользовавшихся другой методикой полета, которая оказалась хуже. Птеродактилоиды же существовали и развивались до тех пор, пока им на смену не пришли еще лучшие летуны - птицы. А развивались они весьма интенсивно, о чем свидетельствует их большое видовое разнообразие. 

--------цитата из \ Blade \ http://pla.by.ru

Среди насекомых существуют такие, которые крыльями машут на порядок чаще, чем их нервные клетки чисто физически могут послать электрический сигнал на мышцы (время прохождения сигнала между нейронами у живых организмов, включая человека, примерно 150..200 мс). Объясняется это эффектом резонанса - жесткая спинка некоторых жуков выполняет роль резонатора - если эти надкрылья убрать, он не сможет взлететь. Это к вопросу об инерции крыльев - если в вакууме крылышки соединить через пружинку, они будут махать вечно (если не считать потерь на трение, нагрев и т.д.). Энергия движения крыльев переходит в энергию сжатия пружинки, потом пружинка разжимается и толкает крылья, потом энергия движения крыльев опять переходит в энергию сжатия/растяжения пружинки и все заново.

Поэтому достаточно жесткая система соединения крыльев полностью решит проблему инерции (инерция выражается в том, что большое крыло "тяжело" разогнать, а потом еще тяжелей затормозить, чтобы двигать в обратную сторону). Да, ими нельзя с места махнуть на всю амплитуду, но постепенно разгоняя вверх-вниз, взмахи даже очень большими крылья с большой массой (и следовательно инерцией) можно довести до очень большой частоты и амплитуды! Фактически, останется внести довольно слабый сигнал управления, слегка "тормозящий" или "разгоняющий" крылья в их резонансе с жестким упругим элементом.

---- Этим элементом могли быть грудные и спинные мускулы птерозавров. \ Г.К.В. \ ----

Попробуйте взять длинную рейку 4..6 метров посередине и "помахать" ею. Легко заметить, что если опускать и поднимать руку "в такт", то с очень небольшими затратами энергии можно добиться амплитуды взмахов до 1.5 метров при частоте несколько герц (приблизительно, в средней части движения рейка становится "полупрозрачной"). Если же сбиться с "ритма", то сразу же ощутимо возрастает "сопротивление" планки движению руки. Это действуют силы инерции, которые чем массивней планка, тем больше.

Остается только ... в крыле переднюю кромку крыла сделать более жесткой ... чтобы во время взмаха крыло делало "загребающие" движения, и начнет создаваться подъемная сила и тяга!

---------Что мы и видим в случае крыла птеродактиля! Передний край образован костями конечности, а плоскость - прочной эластичной мембраной. \ Г.К.В. \ ------- 

Короче, можно прикладывать усилие (рывок) с ходом несколько сантиметров один раз в несколько секунд, а крылья будут махать с частотой несколько герц и амплитудой в два метра. Весь фокус в жестком резонаторе, соединяющем крылья. Странно, что при довольно большом кол-ве статей о мускулолетах даже в российском интернете, хоть об аккумуляторах энергии и упоминается, но не говорится о них как о НЕОБХОДИМОМ элементе для машущего полета. Ведь даже у птиц сухожилия и упругость костей играют роль упругого элемента. По аналогии 
с разминкой рук в физкультуре - при широком взмахе до упора, когда рука сама "отскакивает" от предельного положения, можно добиться большой скорости движения и малых затрат энергии на упражнение. Параллельно через эффект резонанса решается вопрос КПД редуктора. 

Может возникнуть законный вопрос - а что если взять две планки наискосок (буквой "Х") и обмотать тканью, то частота взмахов должна резко упасть из-за сопротивления воздуха. Верно, в этом случае необходимо просто использовать более жесткие (менее упругие) рейки и тогда частота взмахов останется прежней, достаточной для полета (например, 3 Гц). Эксперименты показывают, что это действительно так. \ Blade \http://pla.by.ru ----

*** Г.К.В.
Однако, мои эксперименты показывают, что это не так. В качестве накопителей я использовал резиновые жгуты. Чем туже жгут, тем больше энергии он запасает. Но, одновременно, бОльшая сила требуется для его работы. Но не это главное. Сопротивление воздуха оказывает очень большое влияние на работу системы. Поэтому в качестве компенсатора я ввел маховик-маятник. 

Как именно? Так, как это делали птеродактили!

Для начала проведем мысленный эксперимент, как предлагал незабвенный А. Эйнштейн.

Давайте представим, что птица начнет действовать так, как действовал птерозавр (как именно он действовал, будет видно в процессе корректировки движений птицы под действия птерозавра).

Для наглядности возьмем самую близкую по телосложению птицу, допустим, аиста или пеликана. Вот она выпрямилась на ногах, раскинула крылья в стороны, вытянула шею вертикально вверх. Первый взмах крыльев приведет к тому, что тело птицы будет сместиться в противоположную сторону. Если мах будет не слишком сильный, тело останется почти на месте, незначительно отклонившись по горизонтали. Обратный мах приведет к смещению в противоположную сторону. Тело будет колебаться относительно вертикальной оси взад-вперед соответственно взмахам крыльев. При этом очевидно, что силы взмахов не хватит для создания подъемной силы. 

При увеличении же силы взмахов тело будет отклоняться слишком значительно от своего первоначального положения, настолько, что потеряет устойчивость и будет просто отброшено в сторону. При этом условия для обратного взмаха будут нарушены и его произвести просто не удастся. Чтобы компенсировать это нежелательное явление, можно увеличить массу тела птицы, тогда его момент инерции будет противодействовать смещающей силе крыльев. Но при этом окажется, что подъемной силы, создаваемой крыльями, не хватит для отрыва от земли такого тяжелого тела. Придется увеличивать площадь и силу крыльев, что опять приведет к разбалансировке системы. Получается замкнутый круг, говорящий о том, что существующая птица не может использовать способ взлета птерозавра из-за особенностей своей конструкции.

Продолжим эксперимент и изменим параметры тела птицы.

Если достаточно сильно утяжелить ее голову, при определенной длине рычага (шеи) может быть достигнуто такое равновесие, что центр тяжести между массой головы и отбрасываемых масс воздуха будет находиться примерно посередине между головой и осью крыльев.

При этом во время взмаха крыльев голова будет отклоняться в противоположную сторону, компенсируя общее горизонтальное смещение. Это, естественно, будет происходить с активным участием мышц шеи, что позволит более равномерно распределить мышечную массу, и, вероятно, снизить суммарную требуемую мощность всего мышечного аппарата.

***
Но как же конкретно осуществить это для реального птерозавра? 

При первом же взгляде на скелет птеродактиля заметно, что габариты туловища, головы и шеи 
примерно соответствуют. И это не случайно. При такой компоновке сразу видно, что центр тяжести находится где-то в области шеи. 

Получается сбалансированная система, находящаяся в шатком равновесии. Она приводилась в движение (качание) путем изгибания шеи в вертикальной плоскости - энергичными махами головой вверх-вниз (или, в случае вертикального расположения тела - вперед-назад). При этом голова играла роль противовеса, маятника, запасающего энергию, а на другом конце "качелей" находились крылья вместе с прилегающим объемом воздуха. 

В этом случае масса головы имела очень большое значение - она уравновешивала массу воздуха, отбрасываемого крыльями, и чем она была бы больше, тем большее количество воздуха можно было бы отбросить за один цикл качания. И я предполагаю, что она поддавалась регулировке.

Регулировка момента инерции головы (если проще - ее масса) могла производиться двумя 
способами, или, что более вероятно, их комбинацией. Во-первых, путем перекачки в голову крови из туловища - при этом решается загадка наличия гребня - на нем крепились кавернальные образования для кровяного балласта. Это подтверждается тем фактом, что на отпечатках гребней сохранились многочисленные следы кровеносных сосудов. 

Второй способ - путем наклона головы относительно шеи в районе атланта - изменением длины плеча рычага. Это объясняет длинную, вытянутую форму головы и наличие того же гребня. Если бы этот принцип не использовался, можно было бы покрыть круглую голову чем-то вроде надувающегося шлема. Кстати, были птерозавры типа "анурогнатусов", не имевшие ни длинного клюва, ни гребня, а голова у них была короткая и широкая. Может быть, у них-то и была такая система?

В результате оперативного регулирования соотношения масс различных частей тела (системы) путем перекачки кровяного балласта, общая масса объекта, а именно птерозавра, может оставаться в границах, приемлемых для создания достаточной подъемной силы.

Получается, что птеродактиль использовал свою голову в качестве маятника-противовеса для приведения в движение своих громадных крыльев. Объективно в пользу такой теории говорит тот факт, что мозг птеродактиля был подвешен в воздушном мешке, амортизирующем тряску. И действительно, какая еще сила могла сотрясать мозг птерозавра в полете? Что-то не наблюдается такого устройства мозга у птиц - да это им и ни к чему. А у птерозавров при таком использовании головы мозг должен был подвергаться значительным перегрузкам, что и нашло отражение в строении его подвески.

В результате оперативного регулирования соотношения масс различных частей тела (системы) путем перекачки кровяного балласта, общая масса объекта, а именно птерозавра, может оставаться в границах, приемлемых для создания достаточной подъемной силы.

***
Теперь рассмотрим процесс полета в действии.

Чтобы взлететь, птерозавр садился на "пятую точку опоры" - свой хвост, который в этом случае, с одной стороны, мог представлять собой плотную жировую подушку типа овечьего курдюка или верблюжьего горба. Другой вариант, более вероятный - в хвосте так же находились кавернальные образования для кровяного балласта, и он отдаленно напоминал седалище некоторых обезьян. При этом фиксация этого факта на окаменелых отпечатках скелетов весьма маловероятна. Впрочем, следы такого действия можно было бы обнаружить среди следов лап на окаменелой грязи, если целенаправленно поискать.

При этом он расставлял ноги, чтобы образовался устойчивый треножник, и поднимал переднюю часть тела. Приблизительно таким же способом он мог действовать и без участия гипотетической третьей опоры, т.е. просто вставать «на задние лапы» – ноги. 

Как известно по отпечаткам следов птерозавров, их ноги оканчивались небольшими ступнями, похожими на человеческие. А все стопоходящие животные (например, медведи, обезьяны) могут довольно легко подниматься на задние лапы и сохранять равновесие. Так что и птерозавры могли иметь ступни именно с этой целью. 

Затем он расправлял крылья (вероятнее всего - в прямую линию, лишь слегка изогнутую из-за провисания концов под действием силы тяжести), параллельно с этими манипуляциями накачивая кровь в головные резервуары, чтобы увеличить ее массу, и принимался раскачивать свою длинную шею взад-вперед. При этом крылья начинали махать в горизонтальной плоскости с увеличивающейся амплитудой и частотой. Кроме мышц шеи, в этом процессе активно участвовали и мышцы-аддукторы крыльев, но несколько иначе, чем аналогичные мышцы птиц. 

У птиц привод осуществляется главным образом прямой передачей усилия на костный каркас крыла, и лишь незначительно в этом участвуют силы упругости. У птерозавров имелся аккумулятор механической энергии - маятник-голова, благодаря которому мышцы крыльев могли использоваться с гораздо меньшей нагрузкой - лишь для поддержания колебаний. Иными словами, они сокращались только в конце хода, моментальным напряжением, что можно уподобить работе резинового компенсатора, с той разницей, что вместо накопления энергии при нерабочем ходе мышцы растягивались совершенно свободно, без сопротивления, а после достижения мертвой точки резко и мощно сокращались, посылая рычаг крыла в обратную сторону. В этом заключается преимущество живой материи перед мертвой, какой является резина.

Таким образом, главная работа мышц крыльев заключалась в том, чтобы создавать силы, аналогичные силам упругости. Благодаря этому они имели гораздо меньшую массу по сравнению с аналогичными мышцами птиц, хотя общая масса летного привода (включая голову, заполненную балластом), была даже относительно большей - практически все тело птерозавра участвовало в создании подъемной силы! При этом привод имел более пассивный характер работы (за счет использования сил инерции), что означает большую его экономичность и эффективность. Соответственно, благодаря такому устройству и принципу действия, птеродактилоидам удалось достичь более крупных размеров, чем современным птицам. 

Y
|
|
|
| 
-----------------------0----------------------
/ \
/ \

1. Взлетающий птеродактиль, вид спереди. 

Расчеты и исследования в этой области показывают, что птицы достигли верхней планки своего развития в отношении размера, и дальнейшее увеличение ограничивается объективными законами механики - соотношением линейных размеров и частоты взмахов. В противоположность им, развитие птерозавров было ограничено другими факторами - а именно, соотношением мощности на единицу массы и прочностными характеристиками материала. Благодаря этому им удалось достичь таких впечатляющих размеров, и, возможно, они исчезли, еще не достигнув потолка своего развития...

И так, голова раскачивалась, как перевернутый маятник, крылья двигались взад-вперед все сильнее и сильнее. От этого создавался воздушный поток (две пары потоков), направленный вперед-вниз и назад-вниз, по биссектрисе (?) треугольника крыла. Этим объясняется длинная вытянутая форма крыла - чем больше соотношение сторон, тем ближе к вертикали направление потока. Результирующий вектор силы при этом был направлен вверх. При достижении достаточных параметров потока, вес птеродактиля компенсировался подъемной силой, он привставал на вытянутых ногах и отрывался от земли. Для этого ему даже не нужно было отталкиваться.

<---
==О 
\ 
\ 
\ 
\ 
<-- [[((O -> 
/ 
/
------------------
а).

--->
==О
/
/
/
/
<- О))]] --> 
\
\
-------------------
б).

2. а, б. Взлетающий птеродактиль, вид сбоку. 

Таким образом, получались вертикальные двухсоставные качели, две точки которых находились в относительной неподвижности. А именно - точка касания ногами земли и точка, лежащая между головой и крыльями. При этом точка подвижного сочленения двух частей качелей будет находиться в месте крепления шеи к туловищу, недалеко от места крепления крыльев, и иметь большой ход (амплитуду). Плоскость крыльев будет пассивно отгибаться в сторону, противоположную движению, на определенный угол, оптимальный для создания пары воздушных потоков, направленных вниз и в стороны. 

Это создаст подъемную силу, которая позволит птерозавру вертикально взлететь и продолжить полет. После отрыва от земли характер качания системы должен несколько измениться, т.е. нижний отрезок будет качаться вокруг своей верхней точки, или, что то же самое, вокруг сочленения шеи с туловищем. При этом голова с шеей также будет качаться вокруг той же точки. В этом случае получится схема типа "складной метр" (из двух частей). Амплитуда движения головы в этом случае увеличится, а амплитуда переднего крыльев несколько уменьшится, но зато теперь нижний (задний) их край будет проходить большее расстояние, чем верхний. Поэтому эффективность взмахов останется на том же уровне.

Таким образом, в двух словах этот принцип можно выразить так: «Возбуждение
колебаний болтанкой прикреплённого конца». (Гришаев А.А.)

Предположительно, для создания подъемной силы, достаточной для отрыва от земли, птерозавру требовалось совершить несколько взмахов, как минимум 1,5 цикла, а скорее всего и больше, возможно 3-4 цикла. Вместе с подготовкой к взлету (принятие стартовой позы) это могло занять от 3 до 5-7 секунд, в зависимости от размеров. Это делает старт птерозавра по сравнению с птичьим гораздо менее резким, приемистым, что в условиях борьбы за существование значительно снижало их конкурентоспособность. В купе с другими недостатками птерозаврового способа полета, он оказался худшим вариантом относительно птичьего, что сыграло немалую роль в исчезновении птерозавров. Явным преимуществом этого способа была только его большая экономичность за счет лучшего летного качества в режиме планирования. Так же положительным моментом можно считать то, что такой способ приложения сил и специфичность конструкции не ограничивали ее по габаритам и позволяли достигнуть любых размеров, что можно использовать в современной технике.

Таким образом, взлет птеродактиля был практически вертикальным, без необходимости разгона - как путем разбега, так и прыжка с высоты (разгонялись только крылья, в то время как птерозавр оставался на месте). 

Набрав высоту, он ложился на крыло - переходил в горизонтальное положение и продолжал полет в режиме планирования. При этом он мог, в случае необходимости, добавить скорости/подъемной силы путем резких рывков головой назад (вверх) с одновременными резкими взмахами крыльев вниз и медленным их подъемом. 


==о 
==О--- ---{=-

3. Летящий птеродактиль, вид сбоку. Пробел на шее - центр качания. Голова ходит вверх-вниз.