4. LET PTÁKŮ Fascinace letem ptáků Ptáci byli předmětem zájmu a obdivu člověka od nepaměti. Říká se – má zrak jako ostříž, je moudrý jako sova. Nejsou to však jen vnější znaky ptáků, jejich chování a život ve společenstvech, hnízdění a péče o potomky, obstarávání potravy a krmení v letu, pronásledování kořisti či únik před predátory. To, co třeba jen nevědomky u nich především obdivujeme, je jejich umění pohybovat se a žít ve vzduchu a létat. Fascinuje nás, jak se dokážou mistrně vyhýbat překážkám při rychlém letu v husté vegetaci, jak se umí neomylně orientovat při dlouhých a namáhavých přeletech, jak se třeba sova dokáže neslyšitelně přiblížit ke své kořisti, jak kolibřík umí zastavit a setrvat na jednom místě před květem, z něhož získává potravu, či jak dravci z klidného letu vysoko nad krajinou dokážou přejít k prudkému střemhlavému letu a napadení vyhlídnuté kořisti, aniž by narazili do země. Jen několik zajímavých srovnání. Člověk je schopen vyvinout maximální rychlost odpovídající zhruba 3 až 4 tělesným délkám (výšce člověka) za sekundu. Nadzvukové letadlo při rychlosti rovné trojnásobku rychlosti zvuku uletí 32 svých délek za sekundu. Holub dokáže vyvinout maximální rychlost až 80 km/h, což odpovídá asi 75 tělesným délkám za sekundu, střeček vyvine rychlost i přes 120 km/h (rozhodně ale není schopen létat rychlostí zvuku, jak se někdy traduje), což by odpovídalo téměř 330 tělesným délkám za sekundu. Ještě výrazněji ptáci a hmyz předčí člověka i letadla v manévrovací schopnosti. Snesou zatížení až do 14 g, na rozdíl od vojenských letců, kde se jedná maximálně o cca 10 g po dobu několika málo sekund, jinak je to nejvýše do cca 3 g.
72 / Jak létají
Jak letaji.indd 72
28.5.2015 9:20:16
Vznik ptačího letu Existuje mnoho způsobů ptačího letu, a to, který z nich a jací ptáci určitý způsob používají, závisí na mnoha faktorech – na stavbě těla, způsobu života i na podmínkách, v nichž ptáci žijí, obstarávají si potravu a rozmnožují se. Jiný způsob letu budou volit ptáci žijící u moře, na vodě, ve skalách, v hustém lesním porostu a podobně. V podstatě existují dva druhy ptačího letu: – pasivní, kdy letící pták vytváří vztlak, ale ne tah (klouzavý let, plachtění), – aktivní, kdy pták máváním svých křídel vytváří nejen vztlak, ale i tah, který je zdrojem jeho pohybu. Kromě aktivního letu se všemi jeho variantami (zejména při startu a přistání) sem patří i let na místě – vznášení. V obou případech lze let ptáků realizovat jen prostřednictvím křídel a jejich uspořádání, které je nejen druhově závislé, ale je podřízeno i účelu letu. Na aerodynamických vlastnostech křídel pak závisí do jisté míry i možný způsob letu a dosažitelný výkon. To znamená, na těchto vlastnostech závisí i energetická spotřeba letce a ovlivňují i celou jejich fyziologii, stavbu těla, kostry a svalů. Aerodynamické vlastnosti křídel závisejí nejen na tvaru profilu a skladbě křídel, ale i na dvou hlavních parametrech – štíhlosti a na aerodynamickém zatížení. Oba tyto parametry úzce souvisejí s tvarem křídel. Štíhlost ovlivňuje zejména velikost profilového a indukovaného odporu. I když jsou křídla o vysoké štíhlosti energeticky výhodnější, nemusí být bezvýhradně lepší. Křídla eliptického tvaru a menší štíhlosti mohou dosáhnout většího tahu při mávavém pohybu, zatímco štíhlá křídla se špičatými konci mají zpravidla menší hmotnost a menší moment setrvačnosti. Pro dosažení dostatečného tahu musí křídla s malou štíhlostí Let ptáků
Jak letaji.indd 73
/ 73
28.5.2015 9:20:16
mávat s větší frekvencí. Krátká, špičatá křídla mohou být výhodnější při vysokých rychlostech, protože umožňují pohyb křídel s vysokou frekvencí a sníženou setrvačností. Prohnutá křídla se zaoblenějšími konci vytvářejí větší vztlak u konců křídel, kde se křídlo pohybuje rychleji, a mají proto své přednosti pro ptáky, kteří létají pomaleji a potřebují velké zrychlení při startu. Toho využívá mnoho ptáků, jež se potřebují rychle proplétat hustými porosty nebo potřebují rychlé zrychlení pro únik před predátory. Dalším významným faktorem ovlivňujícím letové schopnosti ptáků je aerodynamické zatížení křídel, zpravidla udávané jako tíha v newtonech (N) dělená plochou křídel v m2, někdy též v gramech (g) na cm2. Ptáci s menším aerodynamickým zatížením křídel mají menší spotřebu energie, což má své přednosti při dlouhých přeletech. Většinou ptáci, které považujeme za vynikající letce – jako např. vlaštovky, rorýsi – mají malé aerodynamické zatížení křídel (např. vlaštovka 0,15 g/cm2). Významnou charakteristikou letových vlastností, a to zejména pro posouzení klouzavého letu, je poměr vztlaku a odporu L/D. Právě tato hodnota udává schopnost být aktivním letcem, stejně tak jako schopnost úspěšně plachtit (albatros má L/D ~ 20, moderní větroně až 60)! Jedinci, u nichž je tato hodnota velmi malá (např. poletuchy s L/D ~ 2), jsou schopni jen velmi strmého klouzavého letu, ale schopnost aktivního letu, tj. schopnost vytvářet potřebný vztlak, nemají. To, co může být pro jeden druh předností, může být pro jiný záporem. U různých druhů se proto podle účelu vyvinuly různé tvary křídel s různými aerodynamickými vlastnostmi. Ty druhy ptáků, které mají dlouhá křídla s velkou štíhlostí, mají zpravidla také malé aerodynamické zatížení křídel, zejména je-li i jejich celková hmotnost nízká a mají úsporný způsob letu (např. mnoho mořských ptáků nebo rorýsi a vlaštovky). Ty druhy, jež mají velké aerodynamické zatížení křídel a krátká křídla, ale přitom jejich velkou štíhlost, jsou dobře přizpůsobeny k rychlému a úspornému letu (kachny, alky apod.). Ptáci, kteří musí
74 / Jak létají
Jak letaji.indd 74
28.5.2015 9:20:16
prolétat hustými porosty, mívají malou štíhlost křídel, ale současně i malou hmotnost, aby se snížilo aerodynamické zatížení křídel a zvýšila hospodárnost letu. Pokud by to nedokázali splnit, byli by odsouzeni k poskakování po zemi, což je energeticky méně náročné než let.
Ptačí let Aktivní let znamená, že se pták dostane do vzduchu, udržuje v letu a přistane vlastní silou, a to pohybem svých křídel. V naprosté většině se jedná o mávavý pohyb (výjimkou je jen kolibřík, který používá kmitavý pohyb křídel podobně jako hmyz). Máváním křídel musí letec (pták) vytvořit vztlak (tj. vertikální složku výsledné aerodynamické síly směřující nahoru), která vyváží tíhu letce (vertikální síla směřující dolů) a současně musí vytvořit tah (tj. horizontální složku výsledné aerodynamické síly směřující ve směru pohybu letce). Mávavý pohyb neznamená jen jednoduchý pohyb nahoru a dolů, ale je spojen s cyklickým pohybem křídel, vykonávajících v průběhu jednoho cyklu složitý, zpravidla krouživý pohyb, při němž se mohou měnit všechny aerodynamické i geometrické parametry křídel. Celý pracovní cyklus dělíme na dvě fáze – na pracovní fázi, při níž vzniká potřebný vztlak a tah, a na vratnou fázi, při níž se křídlo vrací zpět do výchozí polohy pracovní fáze. I v této fázi může vznikat vztlak, ptáci se však v převážné většině snaží tuto fázi co nejvíce urychlit a vrátit se do výchozí polohy s minimálním odporem. Proto se přitom může měnit i geometrie křídel – křídla se skládají k trupu – mění se jejich plocha i odpor (např. i žaluziovým rozevřením letek). V průběhu obou fází se mění úhel náběhu křídel, to znamená, že musí dojít k nakroucení křídel, které je ve všech případech různé po rozpětí křídel – u trupu se prakticky nemění, ke koncům křídel se mění podle účelu letu. Při pracovní fázi pohybuje pták křídly dopředu ve směru letu a prudce dolů. Úhel náběhu vnější Let ptáků
Jak letaji.indd 75
/ 75
28.5.2015 9:20:16
části křídel je zpravidla velmi značný, aby bylo dosaženo maximálního vztlaku, ve vratné fázi přitahuje křídla k sobě a téměř s nulovým úhlem náběhu je obloukem proti směru letu vrací do výchozí polohy. Řada ptáků přitom roztáhne konce primárních per tak, aby umožnila volný průchod vzduchu a minimalizovala jejich odpor. Tímto způsobem probíhá aktivní horizontální let převážné většiny ptáků, v jednotlivých případech se ovšem liší, a to především v detailním nastavení křídel během celého pracovního cyklu, které do značné míry závisí na účelu letu a zvolené rychlosti letu. Jak se přitom uplatní rychlost a směr mávání, popř. odpor letce na aerodynamické síly působící na křídlo, je možno objasnit na diagramu rovnováhy sil. Pták se může pohybovat i klouzavým letem, aniž by pohyboval křídly. Takový let ovšem není aktivním letem, poněvadž jedinou hnací silou je zde vlastní tíha letce. Představu o pohybu křídel během pracovního cyklu získáme nejlépe ze znázornění rovnováhy sil na křídle. Musíme si ale uvědomit, že tato rovnováha bude v každém řezu křídla jiná (tj. v různých vzdálenostech od kořene křídla podél celé jeho délky, čili po rozpětí). Je to proto, že u kořene křídla je jeho výchylka i při mávavém pohybu křídla nepatrná, zatímco na konci křídla je jeho výchylka značná. Proto je i velikost vztlaku vytvářeného křídlem po rozpětí značně rozdílná (obr. 4.01). Křídlo může měnit svůj půdorysný tvar (plochu) a to nejen podle účelu letu, ale i při samotné vratné fázi, kdy se musí s minimálním odporem vrátit do výchozí polohy. Právě ve vratné fázi není už diagram sil tak jednoznačný. Bude záležet na tom, jak probíhá vratný pohyb křídla, resp. jak je křídlo nastaveno vůči výsledné rychlosti W. V podstatě na něm může vzniknout vztlak i tah, popř. i negativní vztlak působící směrem dolů. Z obr. 4.02 je vidět, jaký vliv má pro stejnou výchozí rychlost letu U směr pohybu křídel a velikost rychlosti mávání. Při mávání ve směru V1 dostáváme relativně menší vztlak, ale poměrně velký tah. Tento způsob mávání křídly lze využít při delším
76 / Jak létají
Jak letaji.indd 76
28.5.2015 9:20:16
Pracovní fáze
R L
U
R
efektivní vztlak Lef
L
efektivní vztlak Lef
R L
D D
U
U
tah
W
D
V W
Vratná fáze
W
V
V L Lef
R
U
tah D
Obr. 4.01 Síly na křídle v různých vzdálenostech od kořene křídla během pracovní a vratné fáze. Těsně u kořene křídla se pohyb křídla neuplatňuje. V obrázku je U rychlost letu, V rychlost mávání křídel, W výsledná rychlost (vektorový součet obou předchozích rychlostí), R výsledná aerodynamická síla, L vztlak, který je vždy kolmý na rychlost W, ovšem tzv. efektivní vztlak Lef, který vyvažuje sílu tíže, směřuje vždy v protisměru tíže (kolmo k Zemi), D je odpor křídla.
horizontálním letu, kdy je nutno pouze pohlídat, aby vertikální složka výsledné aerodynamické síly R1 byla dostatečně velká na vyvážení tíhy letce. Optimální směr a velikost mávavého pohybu je blízko V2, což dává i poměrně velkou výslednici W2, k níž významně přispívá i odpor D2. Let ptáků
Jak letaji.indd 77
/ 77
28.5.2015 9:20:16
R1
Lef1
R2
Lef2
Lef3
L1 D1 U1
D3 U3
U2
T
W1
L3
D2
L2
V1
R3
W2
V2
W3
V2
Obr. 4.02 Vliv velikosti a směru rychlosti mávání křídel na vytváření vztlaku a tahu.
Při přistávacím manévru začne pták brzdit svůj let máváním křídly v protisměru rychlostí V3. Křídla jsou přitom nastavena plnou plochou proti pohybu a brzdí tak svým odporem D3 let. Výsledná aerodynamická síla R3 má dostatečně velkou vertikální složku – vztlak, ale její horizontální složka – tah T – působí v opačném směru, tj. proti pohybu. Stejným způsobem můžeme znázornit i síly působící na křídlo při startu (obr. 4.03). Při startu ze země chybí výchozí rychlost U. V takovém případě je rychlost mávání V totožná s výslednou skutečnou rychlostí W. Odpor letce je zde hlavním příspěvkem k výsledné aerodynamické síle R, která ale nemá potřebnou velikost jak vztlaku, tak i tahu. Lze najít optimální směr pohybu křídel, při němž bude mít výslednice R největší hodnotu. To bude tehdy, bude-li R působit přímo ve vertikálním směru a vyvažovat tíhu letce. Není-li ale velikost R dostačující, musí si pták pomoci buď rozběhem, nebo výskokem. Při rozběhu rychlostí Ur se nejen zvětší skutečná rychlost W a tím i bezprostřední vztlak, ale výslednice R může získat i složku do směru letu – tah. Rychlost letu neovlivňuje pták jenom mávavým pohybem křídel, ale může ji velice výrazně ovlivnit i nastavením křídel, např. změnou jejich půdorysného tvaru. Jak mění tvar svých křídel při různých rychlostech v klouzavém letu sup, je patrno z obr. 4.04 (podle Hoška, 1976). Ještě výraznější je to u ptáků,
78 / Jak létají
Jak letaji.indd 78
28.5.2015 9:20:17
výsledná aerodynamická síla R odpor
vztlak vzletová rychlost
tíha
W rychlost mávání Obr. 4.03 Síly působící na křídlo při startu
kteří loví pod vodou (např. racci, rybáci), kam se spouštějí střemhlav i z velkých výšek. Aby se zmenšil co nejvíce odpor jejich křídel, mají je přitažena k trupu s velkým lomením do písmene M, popř. zcela přitisknuta k trupu.
Směr letu (tzn. zatáčení) řídí ptáci prakticky jen naklopením křídel. Ve vodorovném letu jsou momenty vztlakových sil na obou křídlech vzhledem k aerodynamickému středu letce vyrovnány. Naklopením křídla se změní jeho obtékání a tím i vztlak. Křídlo s větším vztlakem působí vzhledem k ose větším momentem a nakloní letce na stranu s menším vztlakem. Stejný mechanizmus se uplatní i při zmenšení plochy křídla. Nesouměrným zmenšením plochy křídla a nakloněním křídla lze tak uskutečnit i velmi rychlou změnu směru letu. Menších výchylek křídel lze dosáhnout nastavením per (krovek). Rychlé snížení výšky lze provést buď tzv. skluzem po křídle, nebo okamžitým zmenšením plochy obou křídel (např. připažením). Let ptáků
Jak letaji.indd 79
/ 79
28.5.2015 9:20:17
vzestupné kroužení (6 ms–1)
vodorovné kroužení (8 ms–1)
klouzavý let (10 ms–1)
rychlý klouzavý sestup (20 ms–1)
směr letu
let střemhlav (30 ms–1)
Obr. 4.04 Schematické znázornění změny půdorysného tvaru křídla supa při změně režimu letu (podle Hošek J., 1976)
Pro představu uvedeme několik příkladů: – Holub patří k méně až středně rychlým ptákům (rychlost kolem 10 m/s). V horizontálním letu je i trup prakticky v horizontální poloze. Křídla jsou ve výchozí poloze pracovního cyklu vztyčena zhruba pod úhlem 50° k horizontální rovině. Během pracovní fáze se pohybují dolů a dopředu zhruba o 90°. Ve vratné fázi se primární letky stlačí a stočí dozadu.
80 / Jak létají
Jak letaji.indd 80
28.5.2015 9:20:18
Konce křídel se ohnou v zápěstí, natočí se spodní stranou nahoru, a teprve před dosažením výchozí polohy se vrátí do původního postavení a natočí zpět dolní stranou dolů. Bez ohledu na tento poměrně složitý pohyb konců křídel je vztlak vytvářen hlavně částí křídel mezi trupem a zápěstím, která se v pracovní fázi mírně natáčí a která nese hlavní aerodynamické zatížení, zatímco konce křídel významně přispívají k tahu. – Zcela analogicky probíhá pracovní cyklus při srovnatelné rychlosti i u racka. Rozdíl je jen v rozsahu výchylky křídel a menšího pohybu jejich konců. Tady jsou křídla ve výchozí poloze vztyčena zhruba pod úhlem 30°. Na konci pracovní fáze jsou křídla u trupu jen mírně pod horizontální rovinou, konce křídel zhruba 30° pod horizontální rovinou. Prohnutí křídel při vratné fázi nečiní více než 30°. Pro srovnání jsou oba případy uvedeny na obr. 4.05.
Obr. 4.05 Let holuba (v levé části obrázku) a let racka (v pravé části obrázku) (podle Brown R. H. J., 1948 a 1953)
Let ptáků
Jak letaji.indd 81
/ 81
28.5.2015 9:20:18
