Скорость полета летучей мыши

Летучие мыши не уступают шмелям в искусстве полета

Летучие мыши слишком массивны для того, чтобы размах их крыльев позволял им летать так же, как птицам. Загадка их полета уже продолжительное время волновала ученых. Как оказалось, рукокрылые освоили непростой аэродинамический трюк и обрели возможность медленного полета, который, как предполагалось ранее, был доступен лишь насекомым. Острый передний край перепончатого крыла разрезает воздух при полете таким образом, что над крылом создается воздушный вихрь, который обеспечивает примерно 40% подъемной силы, создаваемой взмахами.

Как говорит автор исследования Андерс Хеденстрём из университета города Лунд в Швеции, непростая геометрия взмаха крыла летучей мыши позволяет объяснить, наконец, каким образом этим существам удается летать с низкой скоростью. Работа учёных опубликована в последнем номере Science.

Прежде такой эффект воздушного вихря уже был показан для полета шмеля, который по своим аэродинамическим характеристикам способностью к полету не должен бы обладать вовсе. Тем не менее отрыв от земли дается ему без труда, и помогает в этом именно формирование вихрей. В то же время ученые не могли ожидать, что кто-то, кроме насекомых — сравнительно легких и обладающих огромной скоростью взмахов крыльев, — сможет повторить такой трюк.

Чтобы доказать нетривиальность полета летучей мыши, Хеденстрём заснял на пленку зверька, который питался нектаром, заботливо размещенным шведским естествоиспытателем в аэродинамической трубе. Ученый заполнил трубу дымом и освещал сцену короткими импульсами лазера в те моменты, когда животное зависало в воздухе и интенсивно махало крыльями. Такой стробоскоп позволил запечатлеть отдельные вихри взбитого взмахами дыма, которые и помогли в итоге Хеденстрёму понять, каким образом происходит движение воздуха в окрестности крыла летучей мыши.

Линии тока, наложенные на карты ротора (слева) и дивергенции (справа) поля скоростей воздуха в разные стадии взмаха крыла летучей мыши. //sciencemag.org

Кстати, стробоскопический метод изучения механизма полета уже позволил ученым показать, что летучие мыши летают вовсе не так, как пернатые птицы, однако был недостаточно совершенен и не позволил выявить ключевого момента формирования воздушного завихрения.

В своем новом эксперименте команда шведских исследователей нацелилась именно на область воздушного пространства над крылом летучей мыши.

Как оказалось, в первой фазе взмаха крыла его движение происходит в равной степени в направлении полета (вперед) и вниз, при этом передняя кромка крыла оказывается наклонена под острым углом к направлению движения. Для насекомых была прежде продемонстрирована точно такая же аэродинамика полета.

В результате над крылом образуется достаточно мощный воздушный вихрь, который перемещается вплотную к крылу на протяжении всей первой половины взмаха, пока крыло опускается вниз. Для того чтобы сохранить короткую дистанцию между воздушным завихрением, мышь совершает очень тонкие движения крылом во время взмаха, каким-то трудно уловимым способом изменяя кривизну своего крыла.

В итоге подъемная сила взмаха увеличивается почти вдвое.

В комментарии к работе шведов голландский ученый Йон Вильдер отметил, что идея использования животными воздушных вихрей для полета обсуждалась довольно давно и была обоснована при помощи различных математических моделей не только для насекомых и летучих мышей, но и для некоторых птиц, в частности, стрижей. Тем не менее Вильдер рад появлению первой работы, которая сумела показать механизм «вихревого полета» на примере живого существа. Вильдер также не забыл подчеркнуть, что медленный полет и порхание – куда более сложная техническая задача для животных и использование кривизны крыла для формирования вихревых потоков является неоспоримым преимуществом перед традиционным полетом, осуществляемым исключительно за свет частоты взмахов.

Полет шмеля

Хеденстрём намерен продолжить свои эксперименты с другими видами летучих мышей и некоторыми птицами, а также получить более детальную картину полета, для чего уже спроектировал модернизированную установку, позволяющую делать кадры киносъемки в дымной аэродинамической трубе с вдвое большей частотой, чем прежде. Он ожидает, что механизм вихревого полета может быть обнаружен у ряда других созданий, однако все же рассчитывать на такой способ парения в воздухе у крупных животных не приходится – им необходима совершенно невероятная скорость взмахов крыльев.

Практическая важность данных работ также очевидна — в дальнейшем они могут привести к созданию небольших автономных летательных аппаратов-роботов, способных зависать в воздухе. Однако для начала придётся разобраться в тех самых тонких движениях, которые совершает летучая мышь, чтобы удержать вихрь на поверхности крыла. «Газета.Ru» будет следить за тем, принесет ли пользу этот очередной опыт копирования человеком достижений природы.

Летучие мыши

Летучие мыши представляют отряд «рукокрылые», хотя крыланы в этот отряд не входят. На протяжении многих десятилетий считалось, что летучие мыши представляют отдельный подотряд, но, проведя ряд исследований на молекулярном уровне, было установлено, что это сборная группа.

Летучие мыши: описание

Эти животные появились на нашей планете несколько десятков миллионов лет назад, при этом ученые находили скелеты летучих мышей периода эоцена. На основании находок было установлено, что эти древние сородичи современных летучих мышей не имели существенных отличий. Хотя ученые так и не могут понять, зачем эти живые существа научились летать.

Внешний вид

Летучих мышей, независимо от их разновидности, объединяют общие черты, хотя имеются и некоторые различия, которые связаны с размерами и другими внешними данными. На теле летучих мышей растет шерсть, которая более светлая по окрасу в районе брюшка. Размах крыльев, в зависимости от вида, могут достигать почти 2-х метров, при этом форма крыльев может быть различной, а вот строение – практически идентичное. Крылья этих зверьков сформированы из кожистых перепонок и мышц, а также эластичных жил. В состоянии покоя крылья животного плотно прилегают к телу.

Интересный момент! Полет летучих мышей немыслим без синхронной работы задних конечностей.

У летучих мышей хорошо развитые передние конечности, которые состоят из сильных коротких плеч и длинных предплечий, которые сформированы одной лучевой костью. Большой палец передней конечности вооружен крючковатым когтем, при этом другие достаточно длинные пальцы служат в качестве поддержки перепонок крыльев и располагаются они с боков.

Длина хвостовой части, а также форма тела зависит от видовой принадлежности. Благодаря наличию особого костистого выроста под названием «шпора», многие виды без особых проблем разворачивают свои крылья по направлению к хвосту.

Характер поведения и образ жизни

Все летучие мыши, независимо от разновидности, предпочитают вести ночной образ жизни. Днем они отдыхают, повиснув головой вниз в своих укрытиях, в виде пещер или различных деревянных построек.

Летучие мыши способны впадать в состояние анабиоза, которое характерно замедлением быстроты протекания жизненно важных процессов. В результате этого, у животных замедляется интенсивность дыхания, а также замедляется частота сердцебиения. Это позволяет зверькам находиться в состоянии оцепенения на протяжении длительного периода времени. Как правило, это характерно для холодных времен года. Находясь в таком состоянии, животные легко обходятся без пропитания.

Интересный факт! Обычно эти животные летают со скоростью не больше 15 км/час, а вот во время охоты летучие мыши в состоянии разогнаться почти до 60 км/час.

Независимо от условий обитания летучие мыши имеют сходный образ жизни и повадки. Летучие мыши не вьют гнезд и при этом живут многочисленными колониями, хотя имеются виды, которые предпочитают жить обособленно. Когда эти зверьки отдыхают, то очень внимательно ухаживают за своим телом, а особенно за крыльями. Находясь в состоянии покоя, многие виды становятся абсолютно беспомощными, при этом некоторые виды прекрасно перемещаются с помощью цепких лап.

Сколько живут летучие мыши

По сравнению с другими представителями класса млекопитающих, продолжительность жизни летучих мышей впечатляющая. Например, известно, что коричневая летучая мышь способна прожить несколько десятков лет.

Скорость полета летучей мыши

Наметился новый рекордсмен по скорости полёта: бразильский складчатогуб (вид летучих мышей) может достигать при горизонтальном полёте скорости 160 километров в час. То есть показатели этого животного превосходят скорости полёта любых птиц.

«Речь идёт о самых быстрых скоростях полёта, зафиксированных среди позвоночных животных – летучих мышей и птиц. Мы не ожидали таких результатов даже от бразильского складчатогуба, известного невероятной скоростью полёта», — говорит Гэри Маккракен (Gary McCracken) из Университета Теннесси.

Предыдущие исследования предполагали, что птицы летают быстрее летучих мышей, и первым уделялось гораздо больше внимания, добавляет Маккракен. Среди рекордсменов пернатых значится чёрный стриж, он развивает скорость до 112 километров в час.

Исследовательская группа Маккракена решила исправить несправедливость и сфокусироваться на обделённых вниманием летучих мышах. И оказалось не зря: учёные выяснили, что летучие мыши легко вырываются в лидеры и бьют рекорд птиц. Специалисты использовали летательный аппарат для отслеживания семи летучих мышей, живущих в пещере на юго-западе Техаса. Устройство помогало фиксировать расстояние, преодолённое рукокрылыми.

Кроме того, учёные прикрепили радиопередатчики к спинам складчатогубов, а затем они использовали мобильный приёмник на борту маленького летательного аппарата для локализации сигнала. Таким образом команда смогла отследить маршрут полёта животных и измерить их скорость в воздухе.

Учёные обнаружили, что все летучие мыши легко достигают скорости около 100 километров в час, но у некоторых складчатогубов фиксировали максимальную скорость в 160 километров в час.

«Большую часть времени эти животные двигались с достаточно умеренной скоростью, но то, что мы увидели после анализа данных, превзошло все ожидания», — говорит Маккракен.

«Поначалу мы не поверили нашим данным, но они не обманывали: порой самки складчатогубов, которые весят 11-12 граммов, летали со скоростью свыше 160 километров в час – новый рекорд в горизонтальном полёте», — говорит Камран Сафи (Kamran Safi) из Института орнитологии Макса Планка.

Правда, с результатами анализа согласны не все исследователи. В частности, Грэм Тейлор (Graham Taylor) из Оксфордского университета говорит, что нашёл ошибку в оценке скорости полёта летучей мыши.

«Я бы не спешил убирать птиц с пьедестала рекордсменов по скорости полёта», — отмечает он.

По словам Андерса Хеденстрёма (Anders Hedenström) из Лундского университета в Швеции, летучие мыши действительно летают достаточно быстро, но это если изучать скорость относительно земли.

«Поскольку учёные не измеряли скорость ветра в месте, где животные летали, я не исключаю возможность того, что максимальная скорость была достигнута ими при помощи порывов ветра», — считает Хеденстрём.

Маккракен признаёт, что учёные не могут быть точно уверены в том, что порывы ветра не внесли свою лепту в конечный результат, но всё-таки в своих выводах он не сомневается.

«Невозможно узнать, присутствовал ли ветер именно в том месте и в тот момент времени, но наши данные показывают, что летучие мыши достигают такой высокой скорости при отсутствии ветра. Наши данные были собраны в те ночи, когда его и вовсе не было», — заключает он.

Исследование опубликовано в научном издании Royal Society Open Science.

Крылья летучих мышей

В один из октябрьских дней 1890 года над парком близ замка Арменвилье поднялось в воздух необычное сооружение, форма крыльев которого в точности воспроизводила строение крыла летучей мыши.

Конструктор аппарата французский изобретатель Клеман Адер недолго ломал голову, придумывая имя своему детищу,- лучшего названия, чем «Летучая мышь», не нашлось. По тем временам полет прошел сравнительно удачно, без крупных происшествий. А через семь лет, в 1897 году, Адер, не отступая от идеи «крыла летучей мыши», построил и испытал аппарат «Авион», которому не пришлось просуществовать слишком долго — пролетев около 300 метров, он упал и разбился…

Пионером-первооткрывателем нелегко быть в любом деле. Природа, однако, не делала для себя открытия, принимаясь за сотворение рукокрылых. Это была ее не первая, но, видимо, последняя удачная попытка вывести в воздух еще одну группу живых существ. Позади остались длительные и многоступенчатые опыты создания летающих беспозвоночных, рептилий, птиц. Много, ох как много времени потребовалось ей для того, чтобы обеспечить взлет каждой из этих групп животных. А сколько ненужного живого материала пришлось ей отбросить, чтобы каждый раз по-новому, учитывая специфику своих подопечных, приспосабливать их к освоению в душного океана.

До недавнего времени происхождение рукокрылых связывали с примитивными древесными насекомоядным, которые от современных отличались укороченными мордочками и наличием перепонки между передними и задними конечностями. Перепонка вначале предназначалась для облегчения передвижения при прыжках с ветки на ветку, играла роль парашюта, давала зверькам возможность совершать планирующие прыжки-полеты. Эта перепонка в дальнейшем должна была послужить сыры материалом для образования совершенных, пригодны для настоящего полета крыльев.

Однако советский ученый К. К. Панютин, опираясь на анатомофизиологические исследования летательной перепонки рукокрылых и планирующих млекопитающих (белки-летяги), поставил под сомнение это традиционное, прочно устоявшееся мнение о происхождении рукокрылых. Он предложил совершенно иную гипотезу. Не вдаваясь в подробности, скажем только, что согласно этой гипотезе предками рукокрылых были мелкие, малоподвижные (!) млекопитающие. Эти животные подвешивались на тонких ветках снизу, наподобие ленивцев. По-видимому, они предпочитали питаться насекомым. На первых этапах эволюции происходило разделение функций конечностей животных. Уменьшалось участи передних конечностей в передвижении и закреплении, увеличивалась их роль в доставании, подтягивании пищевых объектов. Этому способствовало и развитие задних конечностей, обеспечивающих надежную фиксацию тел зверька под веткой в подвешенном состоянии. Позднее именно на базе удлиненных передних конечностей, как полагают, и возникли крылья рукокрылых.

Устройство крыла летучих мышей сильно отличается от крыла птиц, у которых основная несущая плоскость маховые перья, крепятся к костям предплечья. Жесткость птичьего крыла обеспечивается упругими стержня: маховых перьев. У летучих мышей удлиненные передние конечности и пальцы служат ребрами жесткости, а натянутая на них перепонка образует несущую поверхность крыльев. Перепонкой покрыты все пальцы за исключение больших, которые значительно короче остальных четырех и, как обычные пальцы млекопитающих, имеют острые коготки. Впрочем, у многих видов крыланов когтями снабжен еще и «указательный» палец. Сзади перепонки прикрепляются к «ногам» рукокрылых, оставляя при этом свободными фаланги пальцев. Задние конечности соединены межбедренной перепонкой. Размеры и строение ее у разных семейств рукокрылых различны и могут служить систематическим признаком.

Крылья летучих мышей в полете испытывают значительные нагрузки, величина которых зависит от размеров тела зверька, относительной площади крыльев и скорости полета. С увеличением размеров животных и скорости их передвижения возрастает и нагрузка на крылья.

Скорость полета связана с формой крыла. Относительно высокие скорости, а вместе с тем и удлиненные крылья характерны для крупных насекомоядных, крупных и средних плодоядных, для рыбоядных рукокрылых. Эти виды летают на далекие расстояния или охотятся за насекомыми высоко над пологом леса. Совершенно противоположное наблюдается у летучих мышей, приспособившихся к полету в лесу, где большую скорость развить невозможно, да и дальние перелеты совершать нелегко. Это зверьки в основном мелкие, питающиеся насекомыми или растительной пищей.

Таким образом, потенциальная способность летучих мышей к полетам с той или иной скоростью может служить показателем приспособленности вида к питанию на участках с различным количеством препятствий для полета. Быстролетные виды охотятся обычно в открытых пространствах, а виды с медленным полетом — в пространствах ограниченных. Но если быстролеты не могут пользоваться правом охоты во владениях «медлительных», то последние, напротив, имеют возможность добывать себе хлеб насущный в тех местах, где хозяйничают их стремительные сородичи. Поэтому им порой бывает легче прожить: если не хватает пищи у себя, летят к соседям в открытые ландшафты.

Наибольшая изменчивость формы крыла характерна для подотряда кожанов и особенно для тех его представителей, которые питаются насекомыми. Ученые установили: чем уже и острее крыло, тем быстрее полет животного. Степень «узкокрылости» у летучих мышей, которая определяется путем расчетов по специальной формуле, находится почти в прямой зависимости от скорости их передвижения в воздухе.

В зависимости от сложившейся обстановки летучей мыши в полете часто приходится регулировать скорость. Это достигается благодаря изменению частоты взмахов крыльев или изменением характера полета.

Изучая способы передвижения летучих мышей в воздухе, А. П. Кузякин пришел к выводу, что можно выделит три основных типа полета. Самым обычным для рукокрылых является так называемый гребной полет. В это случае движения крыла зверька сходны с движениям крыла птицы и напоминают чередование взмахов лодочных весел. Сначала крыло опускается вперед и вниз, потом поднимается назад и вверх. Особую форму гребного полета представляет порхающий или трепещущий полёт! Зверек при этом держится в воздухе на одном месте или перемещается по вертикали.

К порхающему полету хорошо приспособлены рукокрылые, питающиеся пыльцой и нектаром. Среди представителей нашей фауны летучих мышей техникой махающего полета прекрасно владеют ушаны. Благодаря этому они часто отыскивают и ловят насекомых, сидящих на ветках и листьях деревьев.

Летучие мыши, как и птицы, способны к планирующему полету. Правда, они не могут парить подобно птицам в потоках восходящего воздуха. Планирующий полет у рукокрылых — это, скорее, пассивное скольжение по воздуху, сходное с тем, которое совершают белки-летяги во время прыжков. Для того чтобы спланировать, животному вначале необходимо приобрести некоторую скорость. Если летяги набирают эту скорость, отталкиваясь лапами от веток, то летучая мышь — в гребном полете. Сочетание планирующего полета с активным движением позволяет рукокрылым более экономно расходовать свои силы. При этом зверьки часто применяют скольжение по воздуху даже в ответственные моменты лова насекомых. Рыжая вечерница, например, в погоне за майским жуком пикируя, может пролететь несколько десятков метров, а затем, ухватив добычу и используя приобретенную во время падения большую скорость, взлететь вверх.

У птиц по сравнению с летучими мышами есть в полете одно преимущество — они могут в довольно значительны, пределах изменять длину и площадь крыльев, что очень удобно при пролетах на разных скоростях. Рукокрылые же почти лишены такой возможности. Это обусловлено тем, что кистевой отдел крыла летучих мышей не может подгибаться без ослабления натяжения всей перепонки.

Эта особенность крайне затрудняет планирование летучих мышей на больших скоростях. Зато рукокрылые в отличие от птиц могут свободно менять очертание профиля крыла. А такая способность незаменима при вертком маневренном полете, А. П. Кузякин укреплял легкие деревянные распорки между предплечьем и пальцами на крыльях рыжей вечерницы таким образом, что зверьки не могли регулировать профиль своего крыла. На скорости полета введение «дополнительных деталей» почти не отразилось, но животные предпочитали держаться на одной высоте и не делать резких поворотов.

Наблюдая летними вечерами за полетом летучих мышей, прежде всего, поражаешься той ловкости и быстроте, с какой они искусно меняют направление своего движения. Одно мгновение необходимо зверьку, чтобы круто развернуться, взмыть вверх или войти в глубокое пике. Какие же механизмы используют они для управления полетом? Оказывается, в основном крылья.