Полет семени клена
емя клёна находится в мягкой
скорлупе, которая заканчивается широким, длинным, тонким крылом. Вися на дереве,
семена попарно и симметрично скреплены между собой. К моменту созревания семени,
скорлупа и крыло подсыхают, приобретая необходимую для крыльев форму и
твердость. Готовые к полету семена отделяются друг от друга, оставаясь висеть
лишь на малом и тонком волоске. Как только появляется порыв ветра достаточной
силы, семя клёна отрывается от ветки и начинает свой замысловатый полёт к земле.
Буквально
сразу крылышко принимает горизонтальное положение и начинает быстро вращаться.
Из-за вращения семени происходит торможение его полёта. Вращающееся семя имеет
возможность мгновенно менять направление своего движения.
Чтобы лучше
понять динамику полёта семени клёна, как обычно, обратимся к его форме и
внутреннему строению.
Для примера
возьмём плоское семя с широким и длинным крылом обычного в наших широтах клёна.
Скорлупа, в
которой находится само семя, имеет округлую форму с некоторым утолщением в ее
передней части. Если семя перевернуть на противоположную сторону, то обращает на
себя внимание факт, что обе стороны почти идентичны. На каждой стороне имеются
почти одинаковые плоскости и разные выемки, находящиеся под углом к основной
плоскости семени.
В передней
части через всё основание скорлупы и вплоть до окончания крыла, проходит твердая
и довольно-таки толстая жила. Ближе к крылу к ней устремлены жилки, отходящие от
скорлупы. Между жилками находится тонкая травянистая перепонка, связывающая
между собой и остальные прожилки скелета крыла.
Центр
тяжести (ЦТ) семени клёна находится не посередине общей формы и не в центре
более тяжелой скорлупы, а смещён от скорлупы в сторону крыла. Таким образом,
крыло семени имеет большее плечо, чем плечо, на котором находится скорлупа с
семечком. Но и это ещё не всё. Скорлупа имеет не только меньшее плечо, но оно
толще, чем крыло, и площадь у неё на много меньше, чем площадь крыла.
Если
посмотреть сбоку, то скорлупа с семечком окажется толще, чем плоское крыло.
Во время
созревания семя клена висит на стебле крылышком вниз, поэтому и падение оно
начинает в таком же положении.
Время
падения может делиться на два периода.
Первый
период это падение, когда сила ветра настолько мала, что не оказывает никакого
дополнительного препятствия для семени.
Ещё один
период, когда ветер имеет достаточную силу, чтобы воздействовать на семя.
Падение
всех без исключения тел на землю, происходит под действием силы земного
тяготения. Сила эта величина постоянная и не зависит от размеров и
пространственного положения падающего тела.
Но семя
падает в довольно-таки плотной воздушной среде, которое к тому же подвижно,
оно-то и оказывает сопротивление падению.
Сопротивление падению будет тем выше, чем больше площадь падающего тела. Если
тело имеет форму с различными площадями, то сопротивление воздуха будет меньше в
том месте, где площадь лобового сопротивления меньше. (Приложение об
атмосфере).
Сила
лобового сопротивления будет пытаться придать падающему телу такое положение в
пространстве, при котором площадь лобового сопротивления будет наименьшей, и
взаимно уравновесятся сила тяжести и сила лобового сопротивления.
Итак, семя,
оторвавшись от стебля, начинает свой полёт с наклоненным вниз крылом. Не обращая
пока внимания на своеобразную форму крыла, но, воспринимая крыло как нечто
плоское и ровное, можно предположить, что семя будет падать, практически не
изменяя своего положения в пространстве.
Изменения
возникнут, если в начальном положении семя находилось с крылом, расположенным
более вертикально вниз. В этом случае скорлупа будет перевешивать крыло и семя,
ничем не ограниченное, начнет поворачиваться относительно своего центра тяжести,
пытаясь занять положение, при котором наступит равновесие. Приняв равновесное
положение, и, при отсутствии каких-либо внешних воздействий, семя продолжит своё
движение вниз.
Крыло
семени не только плоское, но оно имеет ещё ряд особенностей, которые оказывают
значительное влияние на полет. Особенности эти касаются скелета крыла.
Во-первых,
все жилы и прожилки крыла, назовем их ребрами жесткости, закругляясь, направлены
под острым углом к переднему, основному стволу семени.
Во-вторых,
на концах веточек имеется множество прожилок, которые своими концами упираются в
прожилки других веточек. Соединяясь между собой и упираясь друг в друга, они
изгибаются и тем самым изменяют форму конца крыла, которая принимает рельефный
вид. Рельеф увеличивает общую площадь крыла, добавляет жесткость и крепость
крылу.
В-третьих,
между основным ребром крыла и всеми последующими жилами имеются расстояния,
образующие П-образные полости.
В-четвертых, конечно, это толщина основного ребра крыла, которое толще всех
последующих жил и прожилок.
Теперь
рассмотрим то, какое влияние на полет семени оказывают выше перечисленные
особенности крыла.
Семя,
находясь в воздушной среде, всеми своими частями соприкасается с воздухом
постоянно и непрерывно. Поэтому, оторвавшись от ветки, сразу и во всех частях
семени и на крыле происходят закономерные процессы.
Но я опишу
происходящее пошагово, начав с момента, когда семя падает основным, более
толстым, ребром вниз.
Ребро,
идущее вдоль скорлупы и вдоль крыла, имеет довольно-таки округлую форму, поэтому
воздух почти без препятствий перетекает через ребро на крыле и попадает в первую
П-образную полость, расположенную между основным и вторым ребром. Эта полость
имеет начало, ограниченное скорлупой семени, и противоположный, расширяющийся
конец, ничем не ограниченный. В этой полости, как вода в реке, постоянно
находится воздух. Попадание любого дополнительного количества воздуха в
П-образную полость, вызывает волновое течение, находящегося там воздуха,
направленное в сторону, где нет препятствий. В связи с округлостью крыла, воздух
попадает в П-образную полость не сразу по всей его длине, а частями, по мере
продвижения семени. Таким образом, сила возникшей волны постоянно поддерживается
и даже увеличивается.
Часть волны
проходит по всей длине полости и, плавно меняя направление движения, с большой
скоростью покидает крыло. Возникший импульс реактивной силы, направленный в
противоположную сторону от волны, толкает крыло.
Другая
часть волны перетекает через меньшее ребро и попадает, в зависимости от строения
крыла, либо ещё в одну П-образную полость, направленную вдоль основного ребра,
либо в полость, находящуюся между веточками, расположенными под острым углом к
основному ребру.
Попадая в
П-образную полость, волна движется к концу крыла, и по истечении из него
отталкивает крыло. Если П-образная полость отсутствует, то волна, попадая в
область между веточками, ударяется в них, резко меняя направление своего
движения. Таким образом, волна сразу передаёт свою силу на многочисленные
веточки, жилы и прожилки крыла, выступающие над его плоскостью, и тоже
производит импульсивный толчок крыла.
Как я уже
говорил, конец крыла у семени клёна имеет извилистую форму. Изгиб внешнего края
создает дополнительную площадь поверхности крыла при его неизменной проекционной
площади. Таким образом, на крыле появляется некоторый искусственный
пирамидальный объём воздуха, имеющий неярко выраженную вершину у основного
ребра.
Воздух от
волн, попадая в объем, с двух сторон ограниченный крылом, создает повышенное
давление в этом месте, направленное перпендикулярно к площади крыла, т.е.
появляется подъёмная сила. Истечение воздуха из этого объема происходит под
повышенным давлением в направлении конца крыла, а реактивная сила толкает крыло
в противоположном направлении.
Крыло
создано таким образом, что все волны, распространяющиеся в разные стороны по
крылу, покидают крыло в одном и том же направлении и почти параллельно друг
другу.
Волны
постоянно потпитываются встречным воздухом, а их суммарная реактивная сила
настолько велика, что часть семени клёна, на котором расположено крыло,
приходит в движение и начинает смещать семя в сторону от вертикали. При этом
крыло, имеющее большую площадь, пытается занять в пространстве положение, при
котором будет наименьшее лобовое сопротивление, т.е. своей плоскостью
вертикально.
Центр
тяжести (ЦТ) семени, расположенный на некотором расстоянии от ребра, мешает
этому и пытается развернуть конструкцию так, чтобы семя падало плашмя,
увеличивая этим площадь лобового сопротивления.
Увеличение
площади лобового сопротивления, приводит к тому, что крыло начинает движение по
горизонтали вокруг общего центра тяжести семени. Начинается ускоренное вращение
семени. Из-за этого вращения появляются центробежные силы, которые тоже
стремятся придать крылу более горизонтальное положение. Это усилие порождает
увеличение реактивной силы на крыле и вращение крыла также увеличивается.
Центробежные силы, которые с одной стороны ЦТ опускают крыло, с другой стороны
ЦТ поднимают скорлупу с семенем. И вся конструкция, вращаясь относительно своего
центра тяжести, занимает почти горизонтальное положение.
Вращение
семени приводит к тому, что крыло описывает в воздухе окружность с радиусом,
примерно равным длине крыла плюс длина скорлупы, распределяя вес семени по всей
этой площади. Таким образом, происходит снижение веса семени и сокращение
скорости его падения.
Выше я
описал почти все процессы, которые происходят со стороны крыла, на одной из его
поверхностей. При этом необходимо помнить, что аналогичные силы возникают и с
противоположной стороны крыла, в сумме удваивая все возникающие импульсы сил.
Теперь необходимо показать то, как ведет себя противоположная часть семени, на
которой расположена скорлупа.
Скорлупа
имеет сферическую (или цилиндрическую) форму. В торце и в задней части, с двух
сторон семени, имеются симметричные, сравнительно ровные плоскости,
расположенные под углом друг к другу.
Когда при
падении семени основное ребро получает импульс силы и вся конструкция приходит в
движение, направленное в торец скорлупы, то на торце появляется небольшая
подъёмная сила, которая изменяет направление движения всего семени.
При
закручивании семени относительно ЦТ, на задней части скорлупы появляется лобовое
сопротивление, которое, во-первых, несколько ограничивает вращение, направляя
движение семени в сторону торца скорлупы, во-вторых, порождает подъёмную силу,
которая пытается поднять скорлупу вверх, а крыло направить вниз, и, в-третьих,
направляет встречный поток воздуха на обе стороны крыла семени.
В связи с
тем, что ЦТ смещён относительно середины общей величины всего семени, то имеются
в наличие два неравных плеча. А так как силы, действующие на плечи, направлены в
противоположном направлении, происходит уравновешивание плеч и конструкция
принимает горизонтальное положение.
И только
сила земного притяжения заставляет семя двигаться к земле. Из-за того, что
площадь крыла значительно больше площади скорлупы, больше, соответственно, и
лобовое сопротивление крыла, поэтому семя движется под малым и очень
неустойчивым наклоном.
Этот наклон
семени своей площадью воспринимает на себя любую силу движущегося воздуха.
В связи с
тем, что ветер не имеет острого клина при движении, но больше напоминает сферу,
то и воздействовать он будет вначале на падающее семя, а затем на его крыло (или
одновременно на семя и на крыло).
Если ветер
направлен на семя сверху, то из-за наклона семени первоначальное воздействие
придется на крыло. Крыло, как рычагом, поднимет семя вверх, оно окажется выше
крыла, и будет какое-то время двигаться кверху.
Если ветер
направлен снизу, то вначале он поднимет семя. А семя, поднимаясь, будет
поднимать также и всю конструкцию из-за торможения поверхности крыла,
расположенного на противоположном плече, т.е. до прекращения действия силы ветра
конструкция будет находиться на месте или двигаться вверх, замедляя общее
падение.
Если ветер
направлен сбоку, то первоначально он воздействует опять-таки на семя, которое
начнёт сдвигаться в сторону, а, воздействуя затем на крыло, попутный ветер
увеличит скорость его вращения. Встречный ветер не оказывает на крыло какого-то
значительного сопротивления из-за тонкости крыла и небольшой воздушной прослойки
над крылом. Увеличение скорости вращения семени приводит к тому, что вся
конструкция начинает двигаться вверх, преодолевая силу земного притяжения.
Так, семя
клёна, вращаясь относительно своего ЦТ, движется по спирали. И спираль эта будет
тем длиннее, чем сильнее дует ветер, т.е. количество витков в спирали будет
больше.
Трава и
деревья, являющиеся первожителями на земле, явились и образцом основы
внутреннего строения всех последующих форм жизни.
Любая
травинка, малая или большая, длинная или короткая, толстая или тонкая, имеет
внутри себя основное ребро жесткости и отходящие от неё под острым углом
вспомогательные ребра, стянутые между собой жилами, жилками и прожилками. На
этом крепком и жестком скелете крепятся другие ткани.
Любая рыба
имеет костный или хрящевой скелет, состоящий из основного, позвоночного столба,
и отходящих от него лучей, к которым крепятся сухожилия и мышечные ткани.
Любое
животное и птицы имеют аналогичное строение, состоящее из основного
позвоночника, ребер и др. костей, к которым крепятся мышцы, связки, сухожилия и
др. ткани.
Любое
летающее насекомое тоже имеет сходное строение как туловища, так и крыльев.
◄
►
