Физика в мире животных: колибри и ее полет
Колибри — небольшие по размеру птицы, которые живут и в Северной и в Южной Америке. Существует 330 видов колибри, причем подавляющее большинство — это ярко окрашенные птицы очень небольшого размера. Весят колибри всего лишь несколько граммов. Максимальный размер одного из видов колибри почти равен размеру обычного скворца. Самая маленькая колибри весит 2 грамма, длина ее тела всего лишь несколько сантиметров.
Колибри примечательны не только размером. Дело в том, что эти птицы — мастера полета высокого класса. Они могут летать практически в любом направлении, зависать в воздухе, совершать вертикальный взлет и посадку. Зависать на месте могут и некоторые другие птицы, но колибри превосходят все прочие виды, останавливаясь на одном месте надолго и без видимых усилий.
Во время «полета на месте» колибри приходится выписывать крыльями восьмерку. Благодаря этому птица держится в воздухе в вертикальном положении. Скорость взмахов крыльев колибри огромна — около 50–80 взмахов в секунду. Но и это не предел. Ухаживая за самкой самец одного из видов колибри делает более 200 взмахов за секунду. Разгон до максимальной скорости и мгновенная остановка у этих птиц происходит практически мгновенно, всего лишь за несколько секунд. Скорость небольшой птички достигает 50 км/ч, что действительно много для такого небольшого существа.
По словам Дугласа Уоррика [Douglas Warrick] из университета Орегона (Oregon State University), колибри используют стиль полета, который является промежуточным между стилем птиц и стилем насекомых. В процессе полета эти животные получают около 25% подъемной силы от движения крыльев вверх и 75% от движения вниз. У насекомых дело обстоит несколько иначе: от движения крыльев вверх и вниз тело получает около 50% подъемной силы. У большинства птиц тело получает подъемную силу преимущественно от движения крыльев вниз.
Кристофер Кларк [Christopher Clark] из Университета Калифорнии при помощи скоростной камеры запечатлел момент вхождения колибри в пике. Проведенные расчёты показали, что колибри развивают скорость в примерно 400 корпусов в секунду. Это больше, чем у включенного на форсаже реактивного истребителя или у шаттла, который входит в атмосферу Земли. Несмотря на скорость, колибри и тормозят практически мгновенно, о чем уже упоминалось. Так быстро останавливать движение могут очень немногие организмы, способные летать.
Колибри превосходят в искусстве полета подавляющее большинство птиц. Да и структура тела, строение крыльев у них отличается от всех других пернатых. Для того, чтобы получить возможность так быстро махать крыльями, колибри должны иметь короткие и прямые кости плеча и предплечья. Кости крыльев — прочные и легкие благодаря тому, что они полые. Структура самого крыла очень жёсткая благодаря тому, что ряд суставов просто не двигается.
Плечевые суставы гибкие. Благодаря этому они могут двигаться в любом направлении. Также они могут вращаться примерно на 180 градусов. Плюс ко всему, колибри могут менять угол крыла для изменения траектории движения. На это способно очень малое число видов птиц. Кроме костей, должны быть и мощные мышцы. У колибри масса мышц крыльев составляют около 40% всей массы тела.
Для обеспечения мышц кислородом во время работы нужен еще и кислород. Его колибри получают благодаря развитой дыхательной системе, которая включает 9 воздушных мешков. Они составляют с легкими единую систему. Во время движения мышцы выталкивают воздух из этих мешочков, благодаря чему легкие получают дополнительные порции кислорода.
Обеспечить весь организм кислородом — непростая задача. Но с ней справляется большое сердце, занимающее примерно половину тела птицы. Оно прокачивает кровь, обеспечивая приток кислорода ко всем тканям и органам колибри. Частота сердечного ритма в случае колибри — 500 ударов в минуту в состоянии покоя. Во время полета пульс птицы ускоряется вплоть до 1200 ударов в минуту. Дыхание тоже очень быстрое — вплоть до 600 циклов вдох-выдох за минуту.
Для такой активной работы нужны и питательные вещества. Большинство колибри получает достаточное количество энергии из нектара — очень калорийного вещества, которое практически моментально перерабатываются пищеварительной системой птицы. За день ряд видов некрупных колибри, которые питаются нектаром, потребляют в два раза больше пищи, чем весят сами. Практически вся энергия расходуется на полет. В активном состоянии тело колибри нагревается до примерно 42 °С. Ночью же температура падает до 15–22°С. Очень немногие теплокровные животные способны выжить при такой резкой смене температуры тела.
Для добычи нужного количества пищи колибри используют свой длинный клюв, способный проникнуть глубоко в чашечку цветка. Некоторые виды колибри поступают еще оригинальнее, прокалывая клювом основание цветка, если не могут добраться до нектара обычным способом. Для добычи нектара используется и длинный язык, имеющий специальную форму. Эта форма помогает нектару оставаться на языке в то время, когда колибри решили подкрепиться.
Нектар захватывается языком и благодаря форме языка поступает прямо в горло. Чтобы обеспечить свой организм достаточным количеством энергии, ряд видов колибри должны питаться очень часто — каждые 10–20 минут. Летать птицы могут и под дождем — это необходимо для их выживания. Если бы колибри не могли летать под дождем, это поставило бы под угрозу выживание ряда видов.
Удивляют колибри еще и тем, что способны перелетать на очень большие расстояния. Например, рубиновогорлый колибри на зимовку перелетает из Канады в Мексику и Панаму. Расстояние перелета составляет 5000 километров. Средняя скорость полета — около 50 километров в час. Далеко не все крупные птицы способны выдержать такой длительный и изнурительный перелет, не говоря уже о мелких птичках.
Ученые утверждают, что колибри просто созданы для полета. Вряд ли будет преувеличением сказать, что колибри являются лучшими летунами в мире.
