Mechanika vodního ptactva

1. květen 2009 | 06.00 |

I fyzikové rádi chodí do přírody a vnímají její krásy. Dokonce se nechávají přírodou inspirovat při konstrukcích nejrůznějších strojů a zařízení. Vlastní sledování některých živočichů klade nejrůznější otázky, jak vlastně příroda funguje a jak to má všechno spolehlivě promyšleno a propracováno. Podívejme se dnes blíže třeba na mechaniku vodního ptactva.

Při plavání působí na ptáky především tíhová síla, závislá na hmotnosti, a vztlak, což je síla rovnající se tíze vody ptákem vytlačené podle Archimédova zákona, která jej nadnáší.
U kachen a husí, což jsou velmi dobří plavci, se změnil tvar těla z kapkovitého na mnohem širší, stabilnější a hydrodynamicky výhodnější doutníkovitý. Těžiště těla se přesunulo z hrudní partie do středu trupu, takže pták je ve vodě stejnoměrně ponořený a mnohem stabilnější. Dalším přizpůsobením je zúžení pánve a tím přiblížení kyčelních kloubů, zkrácení stehenních kostí a prodloužení kostí holenních, které přenášejí hnací sílu na plováky posunuté za tělo. Hnací síla umístěná za trupem je účinnější a navíc brání vzniku vířivých proudů brzdících pohyb těla. Kyčelní kloub plavajících ptáků je velmi pohyblivý a stehenní kost se může natočit až do vodorovné polohy a navíc do stran. Patní kloub je naopak zpevněný a umožňuje pohyby plováků jen dopředu a dozadu. Velmi silné je i svalstvo zajišťující pohyb plovacích nohou.

Při vzletu startu musí vodní ptáci získat počáteční rychlost pro vzlétnutí, což je zejména pro těžké ptáky velmi náročný úkon. Většina vodních ptáků se prudce rozbíhá po vodní hladině od níž se odrážejí nohama. Také křídla mají při startu vyšší frekvenci a rozsah mávání.

Aby pták vzlétl, musí překonat zemskou gravitaci. Ptačí tělo má tvar kapky, takže je dokonale aerodynamické. Způsoby letu jsou u jednotlivých druhů ptáků velmi rozmanité a souvisí s nimi i tvar plochy křídla, ale příčný profil křídla je u všech ptáků v podstatě stejný. Průřez křídla je kapkovitý, přední náběhová strana je mohutnější a směrem dozadu se zužuje.

Navíc oproti horní vyklenuté straně je dolní vydutá. Průřezem křídla ptáků se inspiroval i člověk při konstrukci křídel letadel.

Molekuly vzduchu se v naprostém bezvětří pohybují všemi směry a vytváří statický tlak. Při proudění vzduchu  však vzniká tlak pohybový (kinetický). Mezi oběma tlaky jsou podle Bernoulliho rovnice (kinetický tlak + statický tlak = konstanta) nepřímo úměrné vztahy - čím je jeden tlak vyšší, tím je druhý nižší. Molekuly vzduchu, které obtékají křídlo, musí na horní ploše vykonat delší dráhu než na ploše spodní. Proto se na horní straně zvyšuje jejich rychlost a tím i kinetický tlak. Statický tlak se snižuje - vzniká podtlak a vytváří se síla zvedající tělo ptáka. Pod křídlem jsou poměry obou tlaků obrácené - zvyšuje se statický tlak, který také zvedá křídlo vzhůru.

Tvar těla letícího ptáka odklání vzduch, který proti němu proudí, směrem dolů a ten pak vytváří sílu směřující vzhůru - vztlak, který také tělo zvedá (3. Newtonův zákon akce a reakce). Celé ptačí tělo musí při letu zaujmout takovou polohu, která vyvolá vztlak vyrovnávající gravitaci. Při letu ptáka vzniká také odpor vzduchu, který vyvolává energetické ztráty. Síla zvedající křídlo je výslednicí vztlaku působícího vzhůru a odporu působícího ve směru letu. Velikosti vztlaku a odporu závisí na rychlosti proudu vzduchu a na úhlu náběhu křídla. Úhel náběhu je postavení křídla vůči vodorovné rovině a směru proudění vzduchu. Ideálním úhlem náběhu je velmi ostrý úhel 3 - 10°. Změnou úhlu náběhu se mění vztlak i odpor a pták může brzdit a přistávat. Bude-li úhel náběhu 90°, tzn. kolmo k vodorovné rovině, zmizí vztlak a křídlo se stává velmi účinnou brzdou.

Další důležitou podmínkou pro let je umístění těžiště ptačího těla co nejblíže osy křídel. Velikost vztlaku se zvyšuje s plochou křídla a rychlostí proudění vzduchu. Posledním důležitým faktorem ovlivňujícím letové schopnosti je hmotnost těla a tím i plošné zatížení křídla. Právě vysoká hmotnost v kombinaci s poměrně malou plochu křídel je důvodem potlačení letových schopností drůbeže. Známe to i z přírody, kde například většina vodních ptáků potřebuje k vzlétnutí poměrně dlouhý, prudký rozběh a naopak malým ptákům stačí jen odraz nohou.

Ptáci s velkým plošným zatížením nemohou rychlost z aerodynamických důvodů příliš snižovat, a proto létají rychleji než někteří výborní letci, i když s menší obratností. Například kachna divoká létá rychlostí 70 km/h, maximálně 90 km/h.

Husy, kachny, ale i jiní těžší ptáci často létají ve formacích, přičemž se řadí vždy za špičku křídla předchozího člena formace. Proud vzduchu od jeho křídel částečně odstraňuje odpor vzduchu, čímž zadnímu jedinci šetří spoustu energie. Při tazích také musejí ptáci překonávat velehory a dostávají se do velkých výšek. Husa indická byla zastižena ve výšce přes 8 000 m.

Divoké husy obvykle létají ve tvaru písmene V. Je to kvůli aerodynamice, nebo se za tím skrývají jiné důvody? Aerodynamické teorie vycházejí z toho, že za křídly první ptáka se dělají víry, které usnadňují let dalším husám. Zastánci této teorie podotýkají, že "véčko" je lepší než "stromeček", protože v takovém případě by se zadní ptáci museli synchronizovat s více víry před sebou.Kritici aerodynamického výkladu ovšem tvrdí, že popsaný mechanismus platí pouze u letadel s pevnými křídly, nikoliv u ptáků, kteří křídly mávají. Víry v tomto případě fungují velmi složitě, a aby z nich měl pták v závěsu nějakou výhodu, musel by mávat křídly ve fázi. To však údajně nebylo pozorováno, každý pták mává křídly svým vlastním tempem.Véčko podle tohoto názoru proto souvisí spíše s psychikou hus, které při letu potřebují sledovat ptáka před sebou. Oči hus jsou ale umístěny po stranách hlavy, takže kdyby letěly přímo za sebou, musely by při letu naklánět hlavu a mohly by se následkem toho motat a odchylovat od přímého směru.Zastánci aerodynamické teorie se ovšem mohou opřít i o výsledky, podle nichž pták letící v hejnu spotřebovává méně energie, než když letí sám (což se měřilo přes sledování pulzu ptáků vybavených příslušným přístrojem).

Vodní ptáci s velkým plošným zatížením křídel a poměrně vysokou rychlostí letu přistávají většinou na vodní hladině, o kterou zcela dobrzdí. Asi jste všichni někdy viděli přistávat labutě, husy nebo kachny, které před přistáním vystrčí dopředu nohy s roztaženými plovacími blánami a takto jedou ještě nějakou vzdálenost po vodní hladině, než zcela zabrzdí.

S využitím článků Micka O´Hare a Miloslava Procházky

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 2.4 (15x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře