Как колибри зависает в воздухе

Колибри удерживается в воздухе благодаря быстрым движениям крыльев, которые создают направленную вверх аэродинамическую силу. При зависании тело почти не перемещается относительно окружающих предметов, но крылья продолжают активно взаимодействовать с воздухом. Важны не только частые взмахи: птица меняет положение крыла так, что полезная поддержка возникает в обеих половинах цикла. Поэтому зависание нельзя объяснить одной маленькой массой или представить как неподвижное висение.

Крылья движутся, когда тело остаётся на месте

Чтобы птица не падала, действующая вверх поддержка должна в среднем уравновешивать её вес. При этом сила во время отдельных участков взмаха может меняться. Видимая неподвижность тела не требует, чтобы каждое мгновение движения крыльев было совершенно одинаковым.

Когда колибри находится у цветка, смотреть только на положение головы недостаточно. За кажущимся спокойствием скрываются повторяющиеся движения и изменения потока. Крыло движется относительно воздуха даже тогда, когда вся птица не летит вперёд. Именно это различие позволяет понять, почему остановка перемещения тела не означает остановку работы крыльев.

Обратный взмах тоже даёт поддержку

Исследователи измеряли воздушный след рыжих колибри во время зависания. Для этого отслеживали движение мелких частиц в потоке и по нему оценивали аэродинамические силы. Работа показала, что поддержка возникает как при основном, так и при обратном движении крыла. Однако вклад двух половин цикла оказался неодинаковым: основное движение обеспечивало большую часть поддержки.

Это важное уточнение к распространённому образу полностью симметричного взмаха. Внешне похожие движения не обязаны создавать одинаковые силы. Значение имеет форма крыла и его обращённость к потоку. На обратном движении положение изогнутой поверхности меняется, поэтому одинаковая траектория сама по себе ещё не гарантирует равного результата.

В воздушном следе также обнаружили признаки вихрей возле переднего края крыла. Вихрь — это вращающееся движение воздуха. Такие наблюдения помогают разобраться в работе быстро машущего крыла, но не превращают колибри в насекомое: устройство тела и крыла у этих животных существенно различается.

Как птица разворачивает крыло

Другое исследование рассматривало движения костей крыла рубиновогорлых колибри с помощью скоростной рентгеновской съёмки. Учёные обнаружили важную роль вращения плечевой кости вокруг её длинной оси. Такое движение дополняет обычное поднятие и опускание крыла и помогает создавать большие перемещения его наружной части.

Крыло колибри поэтому нельзя представить как жёсткую пластину, которая только качается вверх и вниз в одном шарнире. Работает система костей, суставов и мышц. Разворот меняет ориентацию поверхности во время обратного взмаха, благодаря чему этот участок цикла способен давать полезную аэродинамическую силу.

Авторы также сравнивали соотношение сокращения мышц и движения крыла у разных летающих животных. Небольшое изменение длины мышцы может передаваться в более заметное перемещение крыла. Для объяснения зависания важно учитывать такую передачу движения, а не приписывать весь размах непосредственному укорочению одной мышцы.

Перья меняют форму крыла в полёте

В отдельной работе скоростные камеры позволили восстановить трёхмерную форму правого крыла зависающей колибри. Исследователи следили за наружным контуром и стержнями перьев. В течение цикла изменялись площадь, изгиб и скручивание крыла. Значит, реальная рабочая поверхность не сохраняет одну неизменную геометрическую форму.

Скольжение перьев друг относительно друга предложили как объяснение изменения площади. Но наблюдаемая деформация не раскрывает автоматически все причины её возникновения. В движении могут сочетаться управление суставами и свойства гибких тканей. Поэтому реконструкция формы помогает уточнить расчёты, однако сама по себе не измеряет расход энергии всего организма.

Для понятного ответа достаточно связать эти части: колибри создаёт поддержку повторяющимися взмахами, разворачивает крыло и использует изменяющуюся перьевую поверхность. Сходство двух половин движения не делает их равными по силе. А неподвижная фотография показывает лишь одно положение птицы, скрывая большую часть быстрого цикла, который удерживает её у цветка.