Стриж, ласточка, крачка: три отряда и одно решение

Сходство, которого не должно быть

Стриж, ласточка и крачка похожи так, что их путают. Узкое длинное крыло, серповидный изгиб, лёгкое тело, вилка хвоста, добыча берётся на лету. В английском языке крачек прямо называют морскими ласточками.

Между тем родство здесь отсутствует.

Ласточка — воробьинообразная, из того же отряда, что синица и ворона. Крачка — ржанкообразная, родня чайкам и куликам. А стриж не имеет отношения ни к тем, ни к другим: он из стрижеобразных, и ближайший его родственник — колибри.

Три разных отряда. Три независимых пути. Сходство между ними вылепил не общий предок, а воздух.

Такое совпадение называют конвергенцией, и само по себе оно не редкость. Интересно другое: до какой степени три линии сошлись — и в чём именно разошлись. Потому что задача у всех трёх лишь на первый взгляд одна.

Стриж: крыло, которое складывается в запястье

Измеренный рекорд

Летними вечерами над городом раздаётся резкий визг: стрижи носятся стаями вокруг домов. По-английски это называют «кричащими стаями», и происходит оно уже в сумерках.

Именно в этих полётах шведские исследователи из Лунда получили рекордную цифру. Наблюдая за птицами следящим радаром, Пер Хеннингссон с коллегами зафиксировал 31,1 м/с — около 112 км/ч. Это наибольшая измеренная скорость горизонтального полёта птицы на собственной тяге.

Оговорка про тягу существенна. Сапсан в пикировании разгоняется значительно сильнее, но он падает: работу совершает сила тяжести. Стриж летит.

Десять месяцев не садясь

В 2016 году группа Андерса Хеденстрёма опубликовала в Current Biology результат многолетнего слежения: чёрный стриж проводит в воздухе до десяти месяцев подряд. Часть прослеженных особей за весь этот срок не садилась ни разу.

Всё, кроме гнездования, происходит в полёте: кормление, питьё, сбор материала для гнезда, спаривание. На землю взрослая птица опускается только к гнезду под крышей.

Отсюда пошло распространённое утверждение, будто стриж, оказавшись на земле, обречён и взлететь не может. Проверка показывает, что это преувеличение. Здоровая взрослая птица с ровной открытой поверхности взлетает, отталкиваясь длинными крыльями. Трудность настоящая, но иная: у стрижа очень короткие ноги с цепкими когтями, приспособленные держаться на отвесной стене, а не отталкиваться. В высокой траве он действительно может не суметь размахнуться. Птенец перед первым вылетом делает своего рода отжимания — приподнимает тело на крыльях, проверяя, хватит ли сил.

Точная формулировка такова: стрижу трудно садиться на горизонтальную поверхность и трудно с неё стартовать, но невозможным это не является.

Главное: стреловидность меняется в полёте

Самое интересное у стрижа — не рекорд скорости, а устройство крыла.

В 2007 году Дэвид Лентинк с соавторами продул в аэродинамической трубе настоящие крылья стрижей, установленные в разных естественных положениях, и опубликовал результат в Nature.

Оказалось, что птица непрерывно меняет стреловидность — угол, под которым крыло отведено назад. И меняет она его не в плече. Крыло птицы состоит из двух частей: внутренней, «руки», несущей второстепенные перья, и внешней, «кисти», несущей маховые. Стриж сгибает запястье: кисть уходит назад, рука остаётся на месте.

Числа получились внушительные. Складывание запястья убирает около 30% площади крыла. А правильно выбранная стреловидность вдвое снижает скорость снижения при планировании либо втрое увеличивает скорость разворота — в зависимости от того, что птице сейчас нужнее.

Одна птица, по существу, носит два разных крыла и переключается между ними по обстановке.

Здесь стоит остановиться, потому что то же самое решение независимо нашли авиаконструкторы, и нашли его не в плече, а ровно там же — снаружи. Об этом отдельная статья: Крыло изменяемой стреловидности.

Ласточка: цена, уплаченная за красоту

Деревенскую ласточку у нас зовут касаткой — за длинные тонкие косицы по краям хвоста.

Крыло у неё устроено иначе, чем у стрижа: короче, шире, с меньшим удлинением. Летает она медленнее, зато берёт вираж там, где стриж прошёл бы мимо. Ласточка охотится низко — над лугом, над водой, вокруг построек, среди препятствий. Ей нужен не разгон, а поворот.

А вот с хвостом вышла история, которую стоит знать целиком.

Долго спорили, зачем косицы нужны. Одни считали их аэродинамическим приспособлением: раздвинутый хвост с удлинёнными крайними перьями даёт дополнительную подъёмную силу на малой скорости и на больших углах атаки — так называемый механизм Норберга. Другие считали их украшением, за которое самку и выбирают.

Разрешил спор прямой опыт. Мэттью Эванс с коллегами укорачивал и удлинял косицы живым птицам и измерял, что происходит с полётом. Результат опубликован в Nature в 1998 году.

Обе стороны оказались частично правы, но соотношение выяснилось точно. Аэродинамический оптимум лежит примерно на 10 миллиметров короче реального хвоста. То есть косицы полезны — но ласточка носит их чуть длиннее, чем выгодно для полёта.

Этот избыток и есть плата за половой отбор. Он измерен в миллиметрах.

Обратите внимание, насколько это аккуратный результат. Не «красота требует жертв» как фигура речи, а конкретная величина: десять миллиметров сверх оптимума. Ровно настолько ласточка летает хуже, чем могла бы, — и ровно настолько она привлекательнее для самки. Отбор нашёл равновесие между двумя силами, тянущими в разные стороны, и положение этого равновесия можно померить линейкой.

Крачка: зависнуть и ударить сверху

Крачка добавляет к общей картине манёвр, которого нет ни у стрижа, ни у ласточки.

Крыло у неё длинное и узкое, как у стрижа, — такое крыло дёшево обходится на дальних перелётах. Но охотится крачка совершенно иначе.

Она идёт над водой на небольшой высоте, высматривая рыбу, и, заметив добычу, останавливается в воздухе. Не описывает круг, а зависает, работая крыльями и разворачиваясь против ветра. Затем складывает крылья и падает в воду.

Речная крачка уходит под поверхность примерно на полметра. Малая хохлатая крачка бьёт с высоты четырёх-пяти метров, погружаясь на 43–58 сантиметров. Всё это заканчивается за секунду-две, после чего птица снова в воздухе.

Задача здесь другая, чем у стрижа. Стрижу нужно догнать насекомое в открытом небе — там выигрывает скорость. Крачке нужно неподвижно висеть над движущейся целью, находящейся в другой среде, а затем перейти из воздуха в воду, не разбившись и не потеряв прицел. Это управление, а не разгон.

И внутри самого семейства решения разошлись. Чёрная крачка, гнездящаяся на наших болотах и заросших озёрах, за рыбой почти не ныряет вовсе. Она ловит насекомых в воздухе — стремительно, с резкими бросками, — и делает это, по описанию орнитологов, в точности как ласточка. Может подхватить добычу с поверхности воды или снять с камыша, но удара сверху, свойственного морским крачкам, у неё нет.

Получается любопытная симметрия: среди чаячьих родственников нашлась птица, которая заняла нишу ласточки и приобрела её повадку. Конвергенция сработала ещё раз, уже внутри одного семейства.

Почему крылья всё-таки похожи

За всеми тремя случаями стоит одна физическая развилка, и её полезно понимать, потому что она объясняет и форму крыла самолёта.

Сопротивление, которое испытывает крыло, складывается из двух частей, ведущих себя противоположно.

Индуктивное сопротивление — плата за саму подъёмную силу. Крыло отклоняет поток вниз, на концах воздух перетекает с нижней стороны на верхнюю, срываются вихри, и на это уходит энергия. Чем медленнее летит птица, тем сильнее приходится отклонять поток и тем больше эта плата. На малой скорости индуктивное сопротивление главенствует.

Вредное сопротивление — обычное трение о воздух и сопротивление формы. Оно растёт с квадратом скорости. На большой скорости главенствует уже оно.

Отсюда прямое следствие. Индуктивное сопротивление тем меньше, чем длиннее и уже крыло, — то есть чем больше его удлинение. Вредное сопротивление тем меньше, чем крыло меньше и компактнее.

Требования противоположны, и оптимума, годного сразу для всего, не существует. Есть только выбор в пользу того режима, в котором птица живёт.

• Стриж живёт на скорости и в парении в открытом небе — крыло длинное, узкое, серповидное, удлинение большое. И вдобавок он умеет менять его геометрию, обходя необходимость выбирать раз и навсегда.
• Ласточка живёт на малой скорости среди препятствий — крыло короче и шире, нагрузка на крыло мала, радиус разворота мал.
• Крачка живёт на дальних перелётах над водой — крыло длинное и узкое, как у стрижа, но с иным управлением, приспособленным к зависанию и удару.

Одна физическая развилка, три разных выбора, три семейства.

Остриё науки

Классическая теория крыла, которую построили Жуковский и Кутта, описывает установившееся обтекание: крыло неподвижно относительно потока, форма его постоянна, картина течения не меняется со временем. На этой теории стоит вся авиация, и она работает.

Птица нарушает каждое из этих допущений. Крыло машет. Крыло меняет форму. Течение не успевает установиться. И при этом птица летает лучше, чем аппарат тех же размеров.

Открытых мест здесь как минимум три.

Вихрь на передней кромке. В 2004 году Джон Видлер с соавторами опубликовал в Science работу, объяснявшую подъёмную силу стрижа вихрем, образующимся на острой передней кромке отведённого назад крыла. Результат яркий, но позже его истолкование оспаривалось, и на машущем, непрерывно меняющем форму крыле роль этого вихря до сих пор не установлена надёжно.

Управление. Мы знаем, что стриж выбирает стреловидность под режим полёта. Мы не знаем, как он определяет нужный угол. Какие рецепторы дают ему сведения о потоке, как эти сведения обрабатываются и с какой задержкой замыкается контур управления — всё это остаётся открытым.

Расчёт. Течение вокруг машущего крыла в общем случае не считается из первых принципов. Это частный случай более широкой трудности: существование и гладкость решений уравнений Навье—Стокса входят в число нерешённых «проблем тысячелетия». Инженер строит то, что математик пока не умеет полностью описать, а птица летает, не дожидаясь ни того, ни другого.

Что можно посмотреть самому

Все три птицы обычны в России, и наблюдать за ними можно без всякого снаряжения.

Отличить стрижа от ласточки. Это первое умение, и оно даётся быстро. Стриж весь тёмный, с равномерно узким серповидным крылом и коротким хвостом с неглубокой выемкой; летит прямо и стремительно, машет реже. Ласточка снизу светлая, с рыжим горлом, хвост с длинными косицами; полёт порхающий, с частыми поворотами. Если птица носится вокруг крыши с резким визгом — это стриж.

Посмотреть на форму крыла в вираже. У стрижа при резком развороте крыло заметно меняет очертание: кисть уходит назад, силуэт становится острее. Заметить это глазом трудно, но на видео с телефона, снятом в замедленном режиме и просмотренном покадрово, разница видна. Это то самое изменение стреловидности из работы Лентинка.

Сравнить траектории. Встаньте вечером там, где летают и стрижи, и ласточки, и последите не за птицей, а за линией, которую она чертит. У стрижа это длинные дуги большого радиуса. У ласточки — ломаная с резкими углами. Одно и то же небо, одна и та же добыча, две разные геометрии.

Найти зависание крачки. На реке, озере или морском берегу крачку выдаёт остановка в воздухе: птица словно повисает на месте, опустив клюв. Засеките по секундомеру, сколько длится зависание до броска, и с какой примерно высоты происходит удар. Записывайте — дата, водоём, высота, длительность. Несколько десятков таких записей уже составляют наблюдение.

🗺 Карта открытий

Читать дальше

→ Крыло изменяемой стреловидности: то же решение, найденное независимо в авиации, и опыт, который можно поставить самому → Полярная крачка: та же птица, но задача не про скорость, а про дальность → Крыло в потоке: теорема Жуковского, подводное крыло и крыло у экрана → Шея совы и цапли: другая крайность птичьей механики → Сова: убрать собственный шум: аэродинамика, решающая акустическую задачу