Читать интересную книгу Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард

Летучие мыши и птеродактили

Сходство летучей мыши и китайской джонки не может не броситься в глаза(рис. 34). Крылья всех летучих мышей устроены одинаковым образом: перепонкаиз очень гибкой кожи натянута на основу в виде длинных тонких костей, являющихся,в сущности, пальцами. Например, плодоядные летучие мыши - это весьма большиесущества с размахом крыльев свыше метра. На их родине, в Индии, где ониявляются бичом садоводов, им ничего не стоит пролететь ночью 50-60 км,чтобы ограбить фруктовый сад. При этом оказывается, что такие перелетыотнюдь не изматывают их, а это значит, что их летательный аппарат весьмаэффективен. Очевидно, в процессе долгой эволюции у них для уменьшения весапроизошло уменьшение толщины костей, на которые натянуты их крылья.

Рис. 34. Плодоядная летучая мышь.

Если сфотографировать летучую мышь в полете, то можно проследить, какдвижутся ее крылья: когда они идут вниз, перепонки выгибаются вверх и принимают,грубо говоря, форму полусферы, чтобы минимизировать механическую нагрузку,приходящуюся на кости. Потери в аэродинамической эффективности вследствиеэтого изменения формы на практике малы или вовсе отсутствуют.

Примерно 30 млн лет назад на Земле обитало множество летающих существ,называемых птеродактилями (пальцекрылыми). Многие из них очень напоминаютлетучих мышей, за тем исключением, что у них только один "палец" - мизинецявлялся частью конструкции, составляющей крыло. Перепончатое крыло птеродактиляпохоже на бермудский грот-парус, не разделенный какими-либо рейками.

Некоторые из этих животных были очень велики. Туловище птеранодона,например, было восстановлено по ископаемым останкам и оказалось, что размахего крыльев достигал не менее 8 м (рис. 35). Он был около 3 м высотой,а его общий вес составлял, вероятно, только около 20 кг. Именно такой весмогла поднять летающая конструкция из костей и мышц. Недавно появилисьсообщения об открытии в Америке останков птеродактилей еще большего размера,с размахом крыльев вдвое больше, чем у птеранодона.

Рис. 35. Птеранодон.

Птеранодон, вероятно, искал свою добычу в море и, грубо говоря, занималв экологической системе место, которое теперь занимает альбатрос. Как иальбатрос, он проводил большую часть времени в воздухе, паря над волнами,и добывал себе рыбу, не опускаясь на воду. Кости, на которых держалиськрылья этого ископаемого, были, судя по останкам, невероятно тонкими ислабыми даже по сравнению с костями плодоядной летучей мыши. Мы, конечно,не располагаем данными об упругости оболочки, покрывавшей эти огромныекрылья, но можно предположить, что по своим свойствам она была похожа наперепонки летучих мышей. Аэродинамическая эффективность такой конструкциив целом должна была быть высокой, сравнимой с конструкцией современныхальбатросов.

Почему же птицы имеют перья?

Хотя летучие мыши уцелели в процессе эволюции и сохранились до нашихдней, место птеродактилей очень давно заняли птицы, имеющие перья. Возможно,конечно, что причины исчезновения птеродактилей не связаны с их конструкцией,но в то же время не исключено, что именно перья дали птицам преимуществаперед другими летающими существами. Когда я работал в Фарнборо, я имелобыкновение время от времени спрашивать свое начальство: не лучше былобы, если бы самолет имел перья? Однако мне редко удавалось не только получитьспокойный ответ, но и просто удостоиться того, чтобы меня терпеливо выслушали.

И все же почему птицы все-таки имеют перья? Современный инженер, еслибы ему пришлось самому сконструировать летающее существо, создал бы, вероятно,что-нибудь вроде летучей мыши или летающего насекомого. Я не думаю, чтоему пришло бы в голову изобрести птиц. Однако, по-видимому, на то, чтоони существуют, имеются веские причины. Можно предположить, что летучиемыши, как и в прошлом птеродактили, теряют значительное количество энергиив форме тепла, исходящего от их крыльев, и если бы их крылья были покрытышерстью, это обепечило бы им эффективную теплоизоляцию.

Возможно, именно это и произошло на ранних стадиях эволюции птиц, посколькуперья, подобно рогам и когтям, развились из шерсти. Однако шерсть, по-видимому,тем лучше, чем она мягче, так что кератин, из которого она состоит, имееточень малый модуль Юнга.

В перьях же молекулы кератина становятся жестче за счет образования поперечныхсвязей между молекулярными цепочками атомов серы[41]. (Характерный запах горящих перьев вызываетсяприсутствием серы.)

Перья, несомненно, дают и аэродинамические преимущества, что связанос широким разнообразием очертаний тела, которые можно придать оперенномусуществу. Так, толстое крыло с большим поперечным сечением нередко с аэродинамическойточки зрения более эффективно, чем тонкое, соответствующее перепонке. Толстоекрыло нужного профиля легко составить из слоев перьев без заметного увеличениявеса. Далее, перья лучше, чем перепонки и кости, приспособлены для созданияразличных "щелей" и "закрылков", препятствующих срыву потока воздуха.

Однако я склонен думать, что главное преимущество, которое дает оперение,- это преимущество конструкционного характера. Тот, кто запускал моделисамолетов, знает, насколько легко эти малые летательные аппараты получаютповреждения от случайных столкновений с деревьями и кустами или простоиз-за неосторжного обращения с ними. Птицы же постоянно летают среди деревьев,изгородей и других препятствий, часто используя их как укрытие от своихврагов. Для большинства видов птиц не страшна потеря даже значительногоколичества перьев. Лучше оставить кота с полной пастью перьев, чем оказатьсяу него в зубах.

Перья не только помогают птицам избежать царапин, они образуют толстыйупругий панцирь, который служит защитой и от более серьезных повреждений.Японские доспехи из перьев, которые можно видеть в музеях, - это отнюдьне живописная бутафория диких людей. Они служили надежной защитой от такогооружия, как сабля. Не случайно финны использовали для обшивки своих бронепоездовкипы бумаги, а летчиков-истребителей защищают от осколков многослойныецеллофановые прокладки. Сокол убивает в воздухе птицу отнюдь не клювомили когтями - вряд ли они смогли бы проникнуть сквозь перья, - а ударомвытянутых лап в спину, сообщая ей большое ускорение как целому, в результатечего птица ломает себе шею; нечто похожее происходит при казни через повешение.

Строение и общее устройство перьев представляются исключительно интересными.Перьям, вероятно, не требуется быть особенно прочными, но они должны бытьодновременно и жесткими, и эластичными, а кроме того, работа разрушенияпера должна быть велика. Механизм разрушения пера представляется чем-тотаинственным; во всяком случае, к моменту написания этой книги, я думаю,никто не знал, каким образом оно разрушается. Как и во многих других случаях,механизм разрушения пера чувствителен к самым незначительным изменениямв состоянии материала. Тот, кто держал охотничьих соколов, знает, что этиумные, требовательные и капризные птицы могут очень легко "терять форму".Иногда, даже если их кормят и содержат должным образом, их перья становятсяхрупкими и часто ломаются. "Лечение" в этих случаях состоит в соединениичастей сломавшегося пера путем "прививки". Ее делают, вставляя заостреннуюс двух сторон "иглу" с небольшим количеством клея в ствол пера вблизи местаразлома. Детали этой процедуры описаны в книгах о соколиной охоте XVI в.

Если принять во внимание, как часто автомашины получают вмятины и царапиныи как дорого это обходится, то можно спросить себя, не следует ли в этомвопросе поучиться у птиц. Кстати, мне говорили, что поскольку американскаяармия практически посажена на питание цыплятами, в США получают огромныеколичества пера. Было бы неплохо найти для него применение.