Полёт рукокрылых

Рукокрылые, или хироптеры (Chiroptera), — самые маневренные летуны, известные на сегодняшний день. Они обладают аэродинамикой и маневренностью, превосходящими таковые у птиц и насекомых[1]. Хироптеры имеют адаптивное крыло — подстраивающееся под действие нагрузок для оптимизации затрат на осуществление полета.

Wildlife_and_Plants_of_Israel-BatБыстрые рукокрылые, такие, как рыжая вечерница, развивают скорость около 50 км/ч, а медленные (подковоносы, большая серая ночница) — около 20 км/ч[2].

Это статья справочника, составляемого Н. В. Бардичевой (http://KIGRU.info). Статья будет пополняться со временем.

История исследования

Исследования полета летучих мышей в аэродинамической трубе и анализ движения действующих сил на крыло в процессе полета неоднократно проводились в середине ХХ века отечественными и зарубежными учеными.

В 2007 году Кеннет Броер (Kenneth Breuer) и Шэрон Шварц (Sharon Swartz) из университета Брауна (Brown University) использовали высокоскоростную видеосъёмку полёта летучих мышей, ведущуюся сразу с четырёх точек. А для визуализации самых тонких движений крыла и его составных частей на животных были наклеены светоотражающие маркеры — на многочисленных суставах крыла и других его ключевых точках. Кроме того, учёные визуализировали завихрения воздуха, остающиеся после пролёта летучей мыши, добавив в воздух нетоксичную аэрозоль, изменения в потоках которой фиксировал лазерный измеритель[1].

В 2008 году команда биологов под руководством Андеша Хеденстрёма (Anders Hedenström) из университета Лунда (Lunds Universitet) исследовали способность летучих мышей зависать на месте. Представителя землеройкообразных длинноязыких вампиров (Glossophaga soricina)[3] поместили в аэродинамическую трубу, воздух в которой «подкрасили» туманом и подсветили лазерами, все движения крыльев сняли на высокоскоростные видеокамеры[4].

В 2010—2012 годах группа ученых из Университета Брауна (США) во главе с Аттилой Бергоу и Дэниелом Рискином интересовалась тем, как рисунок движения крыльев летучих мышей изменяется в зависимости от размера животных. Исследования проводились в аэродинамической трубе на 27 летучих мышах шести видов с помощью высокоскоростной съемки 1000 кадров в секунду. Ученые пытались выяснить, как часто происходили взмахи крыльями, на какую длину вытягивались крылья, когда они опускались и поднимались при взмахе. Путем препарирования было подсчитано распределение массы в разных частях крыла животного. Первые результаты ученые опубликовали в 2010 году в Journal of Experimental Biology и приступили к дальнейшему анализу собранных данных[5].

В 2014 году Йорн Чейни (Jorn Cheney) и его коллеги из Университета Брауна исследовали роль нитевидных мышц[6].

Эволюция

Предполагается, что предки рукокрылых перемещались по воздуху планируя, как сейчас это делают белки-летяги[1].

Адаптации к полёту

Крылья — передние конечности — являются главными частями тела, приспособленными для полёта. Крыло имеет кисть с сильно удлинёнными пальцами с большим количеством суставов и тонкой перепонкой между ними[1].

Хироптера со спины. Хорошо просматриваются мощные крыльевые мышцы. Видны кровеносные сосуды, питающие крылья, и параллельно расположенные нитевидные мышцы.

Аэродинамические характеристики зависят от формы крыла. Для того, чтобы иметь предсказуемое поведение в полёте, крыло должно быть жёстким (то есть не реагировать на случайные колебания воздуха). Однако для повышенной маневненности крыло должно быть гибким. Перепонка хироптер натянута на жёсткие кости, но сама при этом является гибкой и может надуваться или опадать под напором воздуха. У них также есть механизм контроля за формой гибких частей крыла. В коже крыльев растянуты особые нитевидные мускулы, которые, напрягаясь и расслабляясь, регулируют жёсткость крыла. Они работают коллективно и синхронно, их ритм работы зависит от скорости полёта (когда хироптера ускоряется, мышцы натягиваются и расслабляются быстрее). Таким образом, нитевидные мышцы реагируют на изменение в манере полёта и приспосабливают крыло к новым аэродинамическим условиям. Также, возможно, они выполняют сенсорную функцию — датчиков натяжения[6].

chiroptera_wing1

Расположение нитевидных мышц в крыле хироптеры

Несмотря на то, что у рукокрылых имеются большие перепонки, отдающие тепло в окружающую среду, у крупных летучих лисиц, обитающих в жарком климате тропиков и субтропиков, существует опасность перегрева. Поэтому они летают медленно и в прохладное время суток — вечером и ночью[2].

Для сохранения энергии летучие мыши стараются не летать в дождливую погоду: из-за возрастающей потери тепла и увеличения веса мокрых крыльев энергозатраты на полет увеличиваются почти вдвое.

Для руления некоторые хироптеры используют уши (например, широкоухий складчатогуб и др.)[7].

Физика полёта

chiroptera-fly1

Стрелочками показаны направления движения потоков воздуха, вызываемых взмахами крыльев хироптеры.

Принцип полёта рукокрылых существенно отличается от принципа полёта птиц. Главная особенность заключается в гибкости и податливости крыла рукокрылых.

При взмахе вверх площадь крыла уменьшается, а вместе с этим — сопротивление движению крыла в воздухе (в этом направлении). Уменьшение размаха достигается благодаря сгибу в суставах. Слегка изгибая крыло при подъеме, летучие мыши используют только 65 % от всей энергии, которую бы потратили, оставь они своё крыло в этот момент полностью вытянутым. Летучие мыши имеют тяжелые, мускулистые крылья с гибкими суставами и используют эту гибкость, чтобы компенсировать массу крыльев. Им действительно приходится тратить много энергии, чтобы изогнуть крылья, а затем снова их выпрямить перед опусканием[5]. Также во время поднятия крыла нитевидные мышцы расслабляются, делая перепонку более податливой[6].

При движении вниз крыло раскрывается, как зонтик, площадь крыла увеличивается, повышается подъемная сила и создается тяга вперед[5]. При этом нитевидные мышцы напрягаются, и перепонка становится более жёсткой[6]. Сильный изгиб крыла во время его хода вниз даёт гораздо большую подъёмную силу и сокращает затраты энергии, если сравнивать рукокрылых с птицами[1].

Во время каждого движения крыла вниз у передней кромки образуется завихрение воздуха, которое обеспечивает до 40 % подъёмной силы крыла. Поток воздуха начинается у передней кромки крыла, а затем обходит его и снова возвращается во время движения крыла вверх. Таким образом, давление воздуха над крылом снижается этим потоком, позволяя рукокрылым эффективнее использовать мускулатуру крыльев. Контроль завихрений, возможно, достигается за счёт чрезвычайной гибкости крыла. Изгиб его позволяет держать завихрение вблизи поверхности крыла[4].

Выполняя махи, рукокрылые прижимают крылья к себе значительно сильнее, чем другие летающие существа. Это сокращает сопротивление воздуха, то есть улучшает их аэродинамику[1].

Гибкость крыла значительно увеличивает количество способов использования его в полёте и позволяет, в частности, совершить разворот на 180° на дистанции меньше половины размаха крыла[1].

Формы полёта

Рукокрылые способны зависать в воздухе подобно колибри и насекомым. Механизм этого зависания аналогичен тому, который используют насекомые. При зависании рукокрылые делают около 15 взмахов в секунду (для сравнения, насекомые — порядка 200 взмахов в секунду)[4].

Сравнение с полётом птиц

Самые крупные летающие птицы:

  • Альбатрос — размах до 3,2 м, вес до 7-8 кг. Длинные узкие крылья предназначены для энергосберегающего планирующего полёта. Испытывают большие проблемы со взлётом и приземлением, хотя в воздухе мастерски используют даже очень слабые воздушные потоки над волнами.
  • Дрофа — вес 16-22 кг, верхняя граница полётных возможностей. Если бы вес птицы стал еще больше, она бы уже не смогла поддерживать баланс энергии во время полета. Взлетает дрофа тяжело, только с разбега, но, поднявшись в воздух, летит довольно свободно, делая равномерные и глубокие взмахи крыльями.

Перья птиц весят очень мало, поэтому и крылья получаются лёгкими. Но крылья хироптер по самой своей структуре оказываются тяжёлыми: они представлены костями, суставами, мышцами и многослойной перепонкой, полной кровеносных сосудов и других компонентов. Поэтому хироптеры не могут махать полностью раскрытым крылом и используют гибкость крыла для того, чтобы экономить энергию и компенсировать массу крыльев.

Примечания

  1. Летучие мыши обладают самой совершенной аэродинамикой. Membrana (19 января 2007).
  2. Н. Домрина Полёт на пределе возможного // Наука и жизнь. — 2002. — № 7.
  3. Длина его туловища порядка 9 сантиметров (размах крыльев 24 сантиметра), вес около 15 граммов.
  4. Летучие мыши позаимствовали технику полёта у шмелей. Membrana (29 февраля 2008).
  5. http://www.nkj.ru/news/20734/ или Адаптивное крыло летучей мыши
  6. http://www.nkj.ru/news/24416/ или Как летучие мыши натягивают свои крылья
  7. М. Молюков. Кто самый ушастый? // Наука и жизнь. — 1998. № 6.

Видео полёта рукокрылых (замедленная съёмка)

Ниже видео, на котором хорошо видно планирование летучей мыши к цели:

Обобщение материалов по полёту летучих мышей и крыланов

Ещё одно тематическое видео: «битва летучих лисиц с австралийским узкорылым крокодилом»

Полёт рукокрылых: 1 комментарий

  1. Похоже, что такой механизм экономии энергозатрат — один из факторов, способствующих поразительной долговечности этих мелких млекопитающих, которые доживают до 30-летнего возраста. Если температура в районе обитания рукокрылых падает зимой ниже нуля, они либо впадают в спячку, либо мигрируют в более теплые места.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *