Chuyến bay của chim và chuyến bay của con người

9

Chuyến bay của một con chim
VÀ CHUYẾN BAY CỦA CON NGƯỜI

A. A. BORIN

Ví dụ về những con chim bay khắp nơi luôn vẫy gọi một người đưa anh ta lên không trung.
O. K. Antonov

Một cuộc tranh chấp kéo dài hàng thế kỷ

Giấc mơ về chuyến bay - chuyến bay vỗ cánh - cũng xa xưa, nếu không muốn nói là lâu đời như thế giới, thì trong mọi trường hợp, cũng lâu đời như lịch sử phát triển của ý thức con người. Người xưa, trước mắt là ví dụ về loài chim, không thể tưởng tượng ra cách bay nào khác. Đó là truyền thuyết về Icarus.
Đây cũng là nỗ lực đầu tiên được lưu giữ trong lịch sử nhằm hiểu chuyến bay theo quan điểm của kiến ​​thức khoa học thời đó. Leonardo da Vinci đã làm được điều đó. Phải mất thêm hàng trăm năm quan sát và thí nghiệm để chúng ta đi đến ý tưởng rất quan trọng đó là có thể bay trên một cánh cố định. Giờ đây, chúng tôi đã đi rất xa trên con đường này đến mức chúng tôi đã bỏ lại những tờ rơi có lông vũ ở hầu hết mọi khía cạnh, mặc dù không có một cỗ máy bay nào “điều khiển cơ thể của nó” một cách hoàn hảo, giống như một con chim.

Tuy nhiên, ngay cả vào đầu thế kỷ của chúng ta, ý tưởng của các nhà khoa học và kỹ thuật vẫn còn ngây thơ và xa vời. “Chúng ta lại gặp phải những nỗ lực vô căn cứ nhằm bay trên các thiết bị bắt chước chim một cách ngây thơ,

10

Nhưng sự thất vọng ập đến: người ta vẫn chưa thể tiến xa hơn các mô hình bay - trong đó có vô số chiếc đã được chế tạo trong hàng trăm năm qua. Đây có phải là trường hợp? Hay những thất bại dai dẳng có nguồn gốc sâu xa hơn? Liệu một người có thể bay theo đúng nghĩa “như một con chim” không? Và câu hỏi chính: liệu phương pháp bay này có tốt hơn bình thường không? hay tệ hơn?

Chuyến bay du lịch

Chúng tôi sẽ gọi hành trình bay là bay ngang ở chế độ mang lại sự tập trung thuận tiện nhất trong lĩnh vực công nghệ không gian trọn gói M.K. Tikhonravov trong cuốn sách “Chuyến bay của chim và máy móc với đôi cánh vỗ”. Hơn nữa, những nỗ lực tương tự đã được lặp lại vào những năm 30 của thế kỷ chúng ta và ít nhất là trong các dự án vẫn tồn tại không thể phá hủy cho đến ngày nay. Truyền thuyết về chuyến bay vỗ cánh của một người đàn ông đã tồn tại từ thời Hy Lạp cổ đại; chỉ có nội dung của nó đã thay đổi. Trong ánh sáng mê hoặc của con chim, những người tạo ra huyền thoại cổ xưa nhìn thấy hy vọng thực hiện được chuyến bay, nhưng những người tạo ra huyền thoại ngày nay - họ là nhân tạo, bởi vì con người đã bay - là một kẻ ngốc, một sự hoàn hảo mà chúng ta chưa đạt được, tin chắc rằng sự sáng tạo của thiên nhiên luôn luôn và trong mọi thứ vượt lên trên trí tuệ rụt rè được tạo ra.

Bỏ vấn đề an toàn sang một bên, việc bay vỗ cánh vẫn thu hút một lượng lớn người đam mê hiện nay. Sự dễ dàng rõ ràng của nó khuyến khích những người nghiệp dư xây dựng một mô hình và gửi các dự án khéo léo, đặc biệt là sự tự tin rằng họ biết bí mật cuối cùng cho phép một người thực hiện chuyến bay vỗ cánh.

Không kém phần ấn tượng là xét về tải trọng trên một đơn vị công suất (xem ghi chú 1), chim lớn hơn máy bay rất nhiều lần. Rất đúng là một thiết bị có khả năng truyền 1000 N cho mỗi kilowatt điện sẽ có lợi không kém cho một thiết bị khác, thiết bị này chỉ truyền (tất cả những thứ khác bằng nhau) 100 N. Do đó, như đặc điểm nhận dạng của trạng thái bay vỗ, xét về mặt năng lượng, một con chim hoàn hảo hơn một chiếc máy bay nhiều lần.

Nhưng, đừng quên, “những thứ khác đều bình đẳng”! Sự bình đẳng của họ là gì?

Giống như bất kỳ quá trình năng lượng nào, chuyến bay của một con chim (hoặc máy bay) tuân theo định luật bảo toàn năng lượng, định luật này đối với bất kỳ vật nào chuyển động với tốc độ không đổi $v$ trong một môi trường có cản trở đều có thể được biểu diễn là $N\eta_{\text{дв}}=F_cv$, trong đó $N$ là công suất tiêu thụ trong quá trình chuyển động, $\eta_{\text{дв}}$ là hiệu suất của thiết bị đẩy, $F_c$ là lực cản của môi trường (ở một tốc độ nhất định). Bằng cách giới thiệu các giá trị chất lượng2) $K=G/F_c$ và biểu thị tốc độ theo đơn vị km/h, chúng ta thu được các giá trị

12

Vì vậy, tiêu chí hoàn thiện năng lượng là $K_s$. Điều khá tự nhiên là cường độ $K_s$ ảnh hưởng lớn đến phạm vi bay ngang $L$. Theo công thức Wrege,

$$L = -\frac{K_s}{C_y} \frac{\lg(1-\bar{m}_{\text{rop}})}{\lg e},$$

trong đó $C_y$ là mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể, $\bar{m}_{\text{rop}} = m_{\text{rop}}/m_0$ là khối lượng tương đối của nhiên liệu, $m_0$ là khối lượng ban đầu của vật$^3$).

Rõ ràng từ công thức rằng kích thước và khối lượng tuyệt đối không ảnh hưởng đến phạm vi bay. Vì vậy, việc so sánh kích thước thu nhỏ của các loài chim với khoảng cách mà chúng bao phủ là vấn đề cảm xúc hơn là tranh luận khoa học. Khi đánh giá các yếu tố thực tế đang diễn ra, so sánh ở đây không cho thấy bất kỳ lợi thế nào của loài chim.

Dữ liệu chuyến bay là tài liệu nghiên cứu miễn phí. Chỉ cần nghiên cứu kỹ quãng đường di chuyển và sự mất khối lượng tương đối (và điều này có vẻ không khó) là đủ để có được đánh giá đáng tin cậy về mức năng lượng hoàn hảo của vật thể.

Thật không may, dữ liệu về loài chim này thường không đầy đủ. Trong thông tin về chuyến bay được đề cập của chim choi choi, cả trọng lượng của chim cũng như tốc độ gió đều không được nêu rõ; hơn nữa, không có gợi ý vì chim không ăn dọc đường. Chuyến bay của loài chim cánh cụt qua Đại Tây Dương đi kèm với một cơn gió mạnh - lên tới 95 km/h; giảm cân vẫn không thay đổi. Dữ liệu thực nghiệm đầy đủ và đáng tin cậy chỉ có sẵn cho một trường hợp: sự di cư của đàn bướm đêm Mỹ Dendroica striata từ Massachusetts (Mỹ) đến Bermuda (khoảng cách 1300 km). Tốc độ bay được điều khiển bằng radio; gió trên tuyến đường đã được tính đến. Mức giảm cân trung bình là 0,165 so với giá trị ban đầu.

Dữ liệu tương ứng về máy bay: độ giảm trọng lượng tương đối của máy bay LI-2 lỗi thời là 0,182 với tầm bay 2090 km, máy bay ANT-25 bay từ Moscow đến St. Petersburg (Mỹ) năm 1937 là 0,542 với tầm bay 13.000 km. Sử dụng các giá trị đã biết về nhiệt dung riêng khi đốt nhiên liệu hàng không và “nhiên liệu” (chất béo) của chim, cũng như hiệu suất nhiệt, từ những dữ liệu này, có thể xác định $K_s$: đối với gia cầm $K_s=10,6$, đối với máy bay LI-2 $K_s=8,7$, đối với ANT-25 $K_s=13,9$. Những dữ liệu này xác nhận sự thiếu ưu thế về năng lượng của loài chim. Điều thú vị cần lưu ý là tổn thất khối lượng tương đối 0,165 của máy bay ANT-25 tương ứng với tầm bay chỉ 3300 km.

Cất cánh, hạ cánh, ký gửi tại chỗ

Đúng, những người quyết định cỗ máy bay sẽ nói, nhưng một con chim cất cánh và hạ cánh thẳng đứng, và đối với những chiếc máy bay thiếu khả năng này, chúng ta buộc phải xây dựng những đường băng đắt tiền.

Ở đây, như họ nói, không thể nói gì: chúng ta có thể tạo ra một thiết bị cất cánh như trực thăng và bay theo chiều ngang như máy bay chỉ với cái giá phải trả là tiêu tốn rất nhiều nhiên liệu khi cất cánh. Tuy nhiên, cần phải làm rõ một số điều.

Từ định luật thứ hai của Newton, theo định luật thứ hai, lực nâng $P$ của bất kỳ vật đỡ cơ hoành nào (cánh, rôto chính) bằng tích của khối lượng thứ hai của không khí hướng xuống $m_s$ với tốc độ thẳng đứng của máy bay phản lực tăng trưởng. Biểu thị diện tích được quét bởi thân đỡ (hình 2) qua s và lưu ý rằng tốc độ của tia phản lực quay lại $v_2$ ở chế độ phun gấp đôi tốc độ trong mặt phẳng của thân đỡ $v_1$, ta tìm được lực nâng bằng với thiết bị: $P=G=m_s v_2=2 m_s v_1=2 \rho s v_1^2$ (ρ là mật độ không khí tại mặt đất)$^4$.

Không phải toàn bộ năng lượng tiêu hao đều dùng để rút lại tia; chúng tôi tính đến tổn thất của nó (do tia nước xoáy, do ma sát của cơ quan hỗ trợ với không khí), chúng tôi nhập “hiệu suất tương đối” $\eta_0$ và tìm công suất cần thiết để hỗ trợ các đơn vị trọng lượng:

$$\frac{N_{\text{потр}}}{G} = \frac{1}{\eta_0 \sqrt{2 \eta}} \left(\frac{G}{s}\right)^{1/2}.$$

13

Rõ ràng, yếu tố quyết định sự xuất hiện của cất cánh thẳng đứng và bay lơ lửng là cái gọi là tải trọng trên khu vực quét $G/s$. Điều này dẫn đến những kết luận quan trọng được xác nhận đầy đủ bằng thực tiễn.

Trong điều kiện tương tự về hình học và động học (trùng khớp thỏa đáng trong cùng một loài sinh học), diện tích quét thay đổi tỷ lệ với bình phương các kích thước tuyến tính, khối lượng - tỷ lệ với hình lập phương; do đó tải trọng trên khu vực tỷ lệ thuận với kích thước tuyến tính. Điều này giải thích thực tế được đề cập ở trên: chỉ những loài chim tương đối nhỏ - không lớn hơn chim bồ câu - mới có khả năng cất cánh thẳng đứng và khả năng bay “run rẩy” (lơ lửng). Những con lớn hơn - chẳng hạn như quạ - có thể thực hiện cất cánh chính xác (từ trạng thái đứng yên), sử dụng lực đẩy mạnh bằng chân; thậm chí cả những con lớn hơn - loon, bồ nông, hồng hạc - cất cánh như một chiếc máy bay, với khởi đầu đang chạy. Cuối cùng, thần ưng, chim hải âu và các loài chim lớn khác chỉ có thể bắt đầu chuyến bay bằng cách lao mình ra khỏi những vật thể nổi lên - cây cối, đá, cồn cát ven biển.

Ngoài ra - và điều này không nên bị lãng quên bởi những người đam mê mơ ước thực hiện cú cất cánh thẳng đứng trên một chiếc máy bay nhân tạo - điều này chỉ có thể đạt được nếu cánh di chuyển trong mặt phẳng ngang sang chế độ cất cánh - nếu không thì không thể có được diện tích quét đủ lớn. Ở loài chim, quá trình chuyển đổi từ trạng thái bay hành trình gần như thẳng đứng sang mặt phẳng gần như nằm ngang khi cất cánh và hạ cánh được thực hiện không gặp khó khăn do tính linh hoạt và khả năng thay đổi đáng kể độ nghiêng của cơ thể. Không thể chế tạo được một bộ máy nhân tạo quy mô hoàn chỉnh như vậy với trình độ công nghệ hiện nay.

Yếu tố quan trọng thứ hai quyết định khả năng bay lơ lửng và cất cánh thẳng đứng là công suất tối đa sẵn có cho một con vật nhất định.

14

$N_{\text{pacn}} / G$. Lượng sinh học được ước tính nằm trong khoảng từ 0,0040 đến 0,0053 kW/H đối với gia cầm nặng tới 10 kg và giảm khi trọng lượng tăng thêm. Một điều kiện hiển nhiên để cất cánh theo phương thẳng đứng là việc thỏa mãn bất đẳng thức $N_{\text{порт}} \leq N_{\text{pacn}}$. Tại hình 3 có một biểu đồ mà qua đó bạn có thể theo dõi cách đáp ứng điều kiện này để thực hiện một vật thể - động vật và máy bay (tỷ lệ $G / s$ và $G / N$ ($N \equiv N_{\text{pacn}}$) đối với các tỷ lệ sau là sdinites cho sự rõ ràng).

Trong trường hợp không có những tổn thất có hại nêu trên $\eta_0 = 1$. Điều này sau (“con chim lý tưởng”) tương ứng với biểu đồ đường thẳng nghiêng phía trên. Bên dưới là các đường thẳng có giá trị tiêu diệt tăng dần $\eta_0$. Bằng cách vẽ các điểm $G / s$ và $G / N$ đã biết trên biểu đồ, chúng ta thu được các đặc điểm của đối tượng tương ứng; Điều rất quan trọng là việc không có một điểm nào trên đường thẳng dành cho “con chim lý tưởng” ($\eta_0 = 1$) là thước đo mức độ hoàn thiện về năng lượng của một vật thể trong một chế độ nhất định. Dữ liệu có sẵn (không may là thưa thớt) về các loài chim cho giá trị $\eta_0$ từ 0,27 đến 0,47; đối với loài côn trùng duy nhất đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, Drosophila, tỷ lệ này là 0,16. Đối với máy bay trực thăng $\eta_0$ con số là từ 0,38 đến 0,68, tức là tùy theo mức độ hiệu suất năng lượng trên mỗi máy bay.

chế độ ứng dụng, chúng vượt trội hơn đáng kể so với động vật biết bay.

Điều này không có gì đáng ngạc nhiên. Nguyên nhân gây tổn thất lớn ở động vật là do không quét được một vòng tròn dọc theo sải cánh. Ở loài chim, điều này được bổ sung bằng việc thiếu một bộ phận đàn hồi trong hệ thống thân cánh (côn trùng có nó ở dạng bộ xương ngoài đàn hồi), gây ra tổn thất để khắc phục quán tính của cánh với mỗi lần thay đổi hướng vỗ. Mặt khác, côn trùng có tính khí động học rất kém do kích thước nhỏ và tốc độ thấp.

Như vậy, nguồn gốc chính tạo nên “khả năng” của côn trùng và các loài chim nhỏ tạo ra cảm giác cất cánh thẳng đứng và thực hiện chuyến bay rung chuyển của chúng ta là việc tạo ra một tải trọng nhỏ đơn giản lên khu vực bị cánh quét qua.

Chúng tôi thấy rằng những hứa hẹn về một thiết bị bay vỗ cánh nhân tạo phụ thuộc vào năng lượng có thể thực hiện mọi thứ mà một con chim “có thể làm” phải được xử lý hết sức thận trọng.

máy chỉnh hình

Để kết luận, chúng ta hãy đề cập đến phương pháp bay thu hút ước tính của chúng tôi

Hình 2. Diện tích bị orton ổ trục quét.
Hình 3. Sự phụ thuộc của công suất cất cánh cụ thể vào tải trên khu vực quét.

15

thứ tự rõ ràng về hiệu quả của nó trong quá trình cất cánh và bay lơ lửng:
lực nâng được tạo ra do tác động trực tiếp từ trên xuống dưới của mặt phẳng cánh vào không khí; khi di chuyển lên trên, cánh cánh mở ra hoặc quay bằng mép theo hướng chuyển động. Thiết bị thực hiện chuyển động như vậy được gọi là orthopter (“cánh thẳng”) và các biến thể khác nhau của nó xuất hiện trong hàng trăm ứng dụng.

Dễ dàng nhận thấy với chuyển động như vậy, diện tích mặt cắt ngang của cột tác động chịu trọng lượng của vật nhỏ hơn rất nhiều lần so với diện tích được bao phủ bởi cánh trong quá trình chuyển động ngang của nó. Điều này, như chúng ta đã biết, đòi hỏi phải tăng mạnh công suất cần thiết. Kết quả của việc này và cũng do một số tổn thất cụ thể khác, một thiết bị như vậy kém hơn 4-5 lần về hiệu quả kinh tế so với trực thăng.

Trong tự nhiên, kiểu bay được mô tả chỉ được sử dụng bởi các loài côn trùng có tải trọng rất nhỏ trên diện tích cánh, chẳng hạn như bướm ban ngày.

Ghi chú

1. Tất nhiên, thật nực cười khi so sánh những đặc điểm như trọng lượng hoặc sức mạnh của một con chim sẻ với trọng lượng và sức mạnh của một chiếc máy bay xuyên lục địa - con chim sẻ quá thảm hại. Nhưng thật hợp lý khi so sánh giá trị của các tỷ số của các đặc tính này để tìm ra trọng lượng trên một đơn vị công suất. Tỷ lệ $G/N$ này được gọi là tải trên một đơn vị công suất. Và với sự so sánh này, con chim sẻ hóa ra rất thông minh - với sức mạnh yếu của mình, lần này nó mang nhiều trọng lượng hơn (so với khả năng của lớp lót). Đúng, ở tốc độ thấp hơn.

Mọi điều đã nói đều giải thích hình 1.

2. Lực tác dụng lên máy bay từ không khí, lực khí động học, có thể phân thành hai thành phần: lực nâng $F_y$, tốc độ vuông góc của xe $v$ và lực kéo $F_x$, song song với $v$. Bằng trực giác, rõ ràng rằng lực nâng càng lớn và lực kéo càng nhỏ thì máy bay thực hiện các chức năng của nó càng tốt - nâng và mang tải trọng cao hơn trong không khí, chất lượng của thiết bị này càng cao, nói theo nghĩa bóng. Do đó, tỷ lệ $K=F_y/F_x$ thành phần của lực khí động học được gọi là chất lượng khí động học (hay đơn giản là chất lượng) của máy bay. Trong trường hợp bay ngang với tốc độ không đổi