Скидка, которая полагается всем
Если вы когда-нибудь смотрели, как чайка идёт над водой, вы наверняка замечали: она перестаёт махать. Летит и летит, почти касаясь поверхности, без единого взмаха.
Это не лень и не иллюзия. У самой поверхности лететь дешевле, и величина скидки измерена.
Явление называют экранным эффектом, и в технике на нём построен отдельный класс машин. Но первыми им воспользовались не инженеры.
Почему у поверхности крыло несёт лучше
Причин две, и они разной природы.
Первая — вихри. Крыло создаёт подъёмную силу, отклоняя поток вниз. На концах крыла воздух перетекает снизу вверх, и сходят вихри — на них уходит энергия. Это индуктивное сопротивление, плата за сам факт того, что вы летите. Близкая поверхность мешает вихрям развернуться и уменьшает скос потока: плата падает. Определяющая величина — отношение высоты к размаху, и сказывается это уже с высот порядка размаха крыла.
Вторая — подушка. Совсем низко воздух не успевает свободно уйти из-под крыла, и давление под ним растёт. Здесь определяющая величина — отношение высоты к хорде, и работает это только у самой поверхности.
Подробный разбор обоих механизмов и того, как их использует техника, — в статье Экранопланы.
Сколько это в числах
Замечательно здесь то, что скидка не осталась качественным наблюдением. Её посчитали у четырёх очень разных существ.
Пеликан: 49%
В 1988 году Ф. Р. Хейнсворт снял на киноплёнку бурых пеликанов, идущих строем над водой, и по кадрам измерил высоту полёта и расстояние между концами крыльев.
Экранный эффект снижал индуктивное сопротивление при планировании в среднем на 49 процентов.
Половина платы за подъёмную силу — просто оттого, что птица держится низко.
Водорез: до 90%
У чёрного водореза снижение индуктивного сопротивления оценивают в 50–90 процентов.
Причина в образе жизни. Водорез летит над самой поверхностью, опустив в воду удлинённую нижнюю половину клюва, и ловит рыбу на ощупь. Он не «пользуется» экранным эффектом время от времени — он в нём живёт.
Летучая мышь: 29%, и это вдвое больше ожидаемого
В 2018 году Кристоффер Юханссон, Лассе Якобсен и Андерс Хеденстрём измерили это у водяной ночницы — летучей мыши, которая охотится над прудами и реками, собирая насекомых с поверхности воды.
В экране ночница тратила на 29 процентов меньше аэродинамической мощности, чем вне его.
И вот что делает эту работу особенно интересной: это вдвое больше, чем предсказывала теория. Расчёт давал примерно вдвое меньшую экономию. Значит, в происходящем у поверхности есть что-то, чего теория пока не учитывает.
Летучая рыба: качество 7:1
Пак Хёнмин и Чхве Хэчхон в 2010 году продули в аэродинамической трубе настоящих летучих рыб.
Качество планирования оказалось до семи к одному — то есть на каждый метр снижения рыба проходит до семи метров вперёд. Это сравнимо с крылом ястреба, буревестника и каролинской утки.
Идёт летучая рыба на высоте 50–60 сантиметров над водой — то есть в экране, — и вдобавок ловит восходящие потоки от волн.
Стоит остановиться на этом отдельно. Летучая рыба — не птица, у неё нет ни крыла в птичьем смысле, ни соответствующей мускулатуры. Разогнавшись под водой, она выходит в воздух и планирует на увеличенных плавниках. И получает при этом качество на уровне хищной птицы.
Чего машина пока не умеет
Самое интересное выяснилось недавно, и это уже не про скидку.
Иэн Стокс и Эндрю Лукас в 2021 году разобрали, что именно делает бурый пеликан, когда идёт над океаном, не взмахивая крыльями подолгу.
Оказалось, дело не только в экранном эффекте.
Бегущая океанская волна поднимает перед собой воздух. Над её наветренным склоном образуется восходящий поток — слабый, но постоянный, и движущийся вместе с волной. Пеликан идёт по этому склону, снимая с него энергию, как планерист снимает её с восходящего потока над нагретым полем.
Числа получились такие. Экранный эффект снижает стоимость пути на 15–25% по сравнению с обычным горизонтальным полётом вне экрана. А парение на склоне волны — при высоте полёта около двух метров, волне высотой два метра и периоде пятнадцать секунд — снимает ещё 60–70 процентов сверх этого. При чуть большей волне или чуть меньшей высоте полёта стоимость перемещения может обнуляться практически полностью.
Птица летит даром, потому что энергию ей отдаёт волновое поле.
И вот здесь проходит граница между живым и построенным. Экраноплан сидит в подушке собственного крыла: он опирается на поверхность, но ничего у неё не берёт и жжёт топливо на всю дистанцию. Пеликан использует и близость воды, и энергию самого волнения.
Чтобы так уметь, нужно непрерывно подстраивать высоту и крен под конкретную набегающую волну — с задержкой в доли секунды и без единого прибора. Машины, которая это делает, не построено.
Остриё науки
Откуда у ночницы лишние проценты. Измеренная экономия вдвое превысила расчётную. Объяснения пока нет. Возможно, дело в том, что машущее крыло взаимодействует с поверхностью иначе, чем неподвижное, для которого теория и выводилась. Это ровно та область — нестационарная аэродинамика машущего крыла, — где расчёт из первых принципов сегодня невозможен.
Как животное определяет высоту. Мы знаем, что пеликан, водорез и ночница держат высоту точно, — иначе скидки не будет, а при ошибке в несколько сантиметров они коснутся воды на скорости. Чем именно они измеряют высоту над водой и как замыкается контур управления, не установлено. У ночницы есть эхолокация, у птиц — нет.
Можно ли построить машину. Задача сводится к управлению: нужно измерять набегающее волновое поле и подстраивать под него траекторию быстрее, чем оно меняется. Датчики и вычислители для этого сегодня существуют. Перекроет ли выигрыш усложнение — неизвестно, потому что никто такого не строил.
Что можно посмотреть самому
Наблюдение доступно на любом крупном водоёме, и снаряжения не требует.
Найдите момент перехода на планирование. Проследите за чайкой, крачкой или бакланом, идущим над водой. Отметьте, на какой примерно высоте птица перестаёт махать. Сравните с тем, как та же птица летит над сушей, — там она машет заметно чаще.
Посчитайте строй. Пеликаны и бакланы часто идут цепочкой или клином у самой воды. В работе Хейнсворта измерялись одновременно экранный эффект и выигрыш от строя. Сфотографируйте цепочку сбоку и прикиньте по кадру высоту в размахах крыла: если она меньше размаха, птица в экране.
Пеликан у нас есть. В дельте Волги, на Каспии и на юге России живёт кудрявый пеликан — крупная птица, занесённая в Красную книгу России. Строй кудрявых пеликанов над водой — то же самое явление, что снимал на плёнку Хейнсворт на бурых.
Ночница над прудом. Летними вечерами водяная ночница охотится над стоячей водой, идя в считаных сантиметрах над поверхностью. Её легко отличить от других летучих мышей именно по этому: она летает не среди деревьев, а низко над водным зеркалом, ровными кругами. Это и есть та самая экономия в 29 процентов, происходящая у вас на глазах.
Ведите записи. Дата, водоём, вид, примерная высота полёта в размахах крыла, машет или планирует. Два-три десятка записей уже показывают закономерность.
🗺 Карта открытий
| Событие | Кто | Год |
|---|---|---|
| Экранный эффект у пеликана измерен: минус 49% | Ф. Р. Хейнсворт | 1988 |
| Аэродинамика летучих рыб: качество до 7:1 | Пак и Чхве | 2010 |
| У летучей мыши минус 29% мощности — вдвое больше расчёта | Юханссон, Якобсен, Хеденстрём | 2018 |
| Парение пеликана на склоне волны: ещё минус 60–70% | Стокс и Лукас | 2021 |
| Почему экономия у мыши вдвое больше теоретической | Открытый вопрос | ? |
| Чем животное измеряет высоту над водой | Открытый вопрос | ? |
| Машина, снимающая энергию с волнового поля | Не построена | ? |
Читать дальше
→ Экранопланы: как тем же эффектом воспользовалась техника, и почему это оказалось трудно → Стриж, ласточка, крачка: три способа устроить крыло под разные задачи → Полярная крачка: как сто граммов проходят семьдесят тысяч километров в год → Эхолокация летучей мыши: чем ночница ориентируется в темноте
