Os fósseis de pterossauros indicam claramente que essas criaturas tinham um par de asas - cada uma das quais era, em forma expandida, uma membrana de couro esticada entre o "chicote" esquelético da borda dianteira da asa e o corpo. A julgar pela abundância desses fósseis, os pterossauros não eram um erro da Natureza: usavam as asas para o fim a que se destinavam e sabiam não apenas planejar, mas também dominar a técnica de voo com impulso ativo.
Parece que os pterossauros podem criar impulso ativo com o mesmo princípio usado por morcegos e pássaros. A saber: durante os movimentos de bater de suas asas, o impulso do jato surge devido ao ar sendo lançado para trás pelas seções traseiras flexíveis das asas, que passivamente se dobram para cima quando as asas batem para baixo, e vice-versa. No entanto, há um limite de peso para a criatura usando este vôo oscilante. Para segurar mais e mais peso no ar, é necessário - na mesma velocidade de vôo - uma área de asa cada vez maior e, com um aumento nesta área, as forças de resistência aos movimentos de batida aumentam, para superar quais músculos cada vez mais poderosos são necessários, ou seja, novamente, tudo mais peso … Acontece um círculo vicioso. Hoje, os maiores pássaros voadores são os condores, chegando a pesar apenas 15 kg (enquanto arrastam carneiros com 40 kg cada). Mas os pterossauros superavam significativamente os condores em tamanho e peso de asas! “Os lagartos voadores pertenciam a … gigantes - por exemplo, o pteranodon encontrado em 1975 durante escavações no Parque Nacional Big Bend no Texas (EUA): sua envergadura chegou a 15,5 m. Esta é uma das criaturas mais incríveis que já viveram Terra. Suas asas são quatro vezes (ou mais) mais longas do que as dos albatrozes, condores e outros animais aviadores modernos. Sob tais asas estava, como um pequeno motor, suspenso em comparação com seu torso. Alguns cientistas acreditam que o pteranodonte não conseguia nem bater as asas! "5 m. Esta é uma das criaturas mais incríveis que já viveram na Terra. Suas asas são quatro vezes (ou mais) mais longas do que as dos albatrozes, condores e outros animais aviadores modernos. Sob tais asas estava, como um pequeno motor, suspenso em comparação com seu torso. Alguns cientistas acreditam que o pteranodonte não conseguia nem bater as asas! "5 m. Esta é uma das criaturas mais incríveis que já viveram na Terra. Suas asas são quatro vezes (ou mais) mais longas do que as dos albatrozes, condores e outros animais aviadores modernos. Sob tais asas estava, como um pequeno motor, suspenso em comparação com seu torso. Alguns cientistas acreditam que o pteranodonte não conseguia nem bater as asas!"
Na verdade, o pteranodonte era fisicamente incapaz de bater as asas como um pássaro. Afinal, ele não tinha análogos dos músculos peitorais do pássaro ou da quilha do pássaro, aos quais os tendões desses músculos estão ligados. Ou seja, ele simplesmente não tinha nada para bater as asas como um pássaro. Mas ele não poderia ter colocado as asas em movimento de uma maneira diferente?
O pesquisador de pterossauros K. Gumerov chama a atenção para a desproporção em sua anatomia: um pescoço bastante poderoso e uma cabeça grande. Se o pterossauro esticasse o pescoço para a frente - como é feito no vôo, por exemplo, os gansos - então sua centralização estaria muito à frente do primeiro terço da asa, então o pterossauro cairia em um mergulho. Para garantir a centralização do vôo horizontal, o pterossauro teria que dobrar o pescoço para cima como um cisne, de modo que sua cabeça ficasse aproximadamente acima do primeiro terço de sua asa. K. Gumerov acredita que o bater das asas foi realizado devido aos movimentos pendulares de uma cabeça pesada em um pescoço poderoso. Mas como o círculo vicioso mencionado acima foi quebrado?
Porém, vemos uma possibilidade teórica de algum ganho no trabalho de bater asas durante o vôo horizontal, se elas fossem postas em movimento por meio das vibrações de uma cabeça pesada pelos músculos do pescoço dobrado. Se as massas forem comparáveis, em primeiro lugar, a cabeça mais o pescoço, e, em segundo lugar, o corpo mais as asas, os músculos do pescoço “vibrariam” não só a cabeça, mas também o corpo: quando, em relação ao centro de massa, a cabeça se moveria para cima, o corpo moveria para baixo e vice-versa. Assim, as bases das asas seriam transmitidas a um movimento oscilatório para cima e para baixo - que seria a fonte de seus movimentos, ou seja, o método de "excitação das vibrações da placa através da saliência da extremidade fixa" funcionaria. Ao mesmo tempo, os movimentos da asa não seriam, em sentido estrito, swing, pois aqui a base e a ponta da asa se moveriam em antifase - e, portanto,em algum lugar no meio do comprimento da asa haveria uma linha nodal com amplitude de vibração zero.
Tal modo de oscilação das asas de um pterossauro - com a presença de uma linha nodal - permitiria, em nossa opinião, tamanhos de asas e peso de vôo um pouco maiores do que os das aves. Na verdade, a força de resistência ao movimento de bater é diretamente proporcional à área da asa e ao quadrado da velocidade de bater. Na asa de um pássaro, a amplitude de vibração zero cai na conexão da asa ao corpo, enquanto na asa de um pterossauro ela cairia no meio da asa. Portanto, com a mesma amplitude angular e frequência dos movimentos das asas, a velocidade média de giro da asa de um pterossauro seria a metade da de uma asa de pássaro do mesmo comprimento. Então, com os mesmos coeficientes de resistência dinâmica aos flaps e as mesmas proporções de comprimento de asa para largura, a asa de um pterossauro experimentaria a mesma resistência aos flaps que a asa de um pássaro, sendo 4 1/4 mais longa que ela.»1,41 vezes (apenas alguma coisa!) Nesse caso, as áreas das asas de um pterossauro e de um pássaro seriam tratadas como quadrados de seus comprimentos, ou seja, a asa de um pterossauro seria duas vezes maior. Conseqüentemente, com a mesma velocidade de vôo e os mesmos coeficientes de arrasto aerodinâmico, as asas de um pterossauro teriam o dobro da força de levantamento, o que lhe permitiria segurar o dobro do peso no ar. Mas, mesmo com essas suposições idealizadas, o problema do vôo dos pterossauros está obviamente longe de ser resolvido. Além disso, como pode ser visto na reprodução de um fóssil de pterodáctilo - Fig. 1, de um recurso da web publicamente disponível - para uma protuberância na cabeça em um pescoço para trás, esse pescoço é muito curto - dado o comprimento longo das vértebras cervicais.
Figura 1.
Portanto, os pterodáctilos não podiam bater suas asas como um pássaro ou através do balanço do corpo devido ao recuo ao bater a cabeça. O que eles poderiam fazer? Eles realmente possuíam a técnica de vôo ativo, em que não batiam suas asas? A análise da Fig. 1 permite que você responda afirmativamente a essa pergunta!
Vídeo promocional:
Vimos várias reproduções de fósseis de pterossauros - o anterior é o melhor deles no sentido de que praticamente não há dano ou deslocamento de ossos em relação uns aos outros. Portanto, partimos do pressuposto de que este fóssil reproduz a posição anatomicamente normal dos ossos esqueléticos em um pterodáctilo com asas dobradas. Aqui, como em outras fotografias, uma "estranheza" chama a atenção, a saber, a presença de uma junta "extra" na asa. De fato, após o úmero único, há um antebraço com dois ossos e, então … outro segmento com dois ossos quase do mesmo comprimento que o antebraço. Além disso, o próprio úmero é tão anormalmente curto e colocado em tal posição na articulação do ombro que a conclusão se sugere: ele não foi além do corpo e, portanto, a parte frontal da membrana da asa foi fixada,começando pelo antebraço. Foi esta anatomia que permitiu, a nosso ver, implementar um método de criação de empuxo com asas aladas estendidas, marcante pela sua simplicidade e eficiência.
De fato, prestemos atenção a um par de clavículas conectadas na forma da letra V. Com a posição horizontal do corpo, esse par de clavículas partia das articulações dos ombros para trás e para baixo, e dos ossos do úmero - para trás e para cima. Agora imagine que um pterodáctilo tenha músculos entre o úmero e suas clavículas correspondentes. A contração desses músculos puxou o úmero e a clavícula juntos. Ao mesmo tempo, as clavículas repousavam contra o tórax e, portanto, os ossos do úmero giravam um pouco nas articulações, de modo que as extremidades ulnares caíam. Assim, a contração dos músculos clavículo-braquial puxou para baixo as porções da raiz das bordas dianteiras das asas estendidas; quando esses músculos estavam relaxados, ocorria um retorno passivo à posição inicial do úmero e, conseqüentemente, das bordas dianteiras das asas. Dificilmente pode haver qualquer dúvidaque a contração periódica dos músculos clavículo-braquial fazia com que as bordas das asas oscilassem - o que gerava uma onda na membrana que se dirigia para a borda traseira. Esta onda carregou consigo uma certa quantidade de ar e jogou-o de volta - o que gerou impulso de jato.
A seguinte diferença na estrutura de suas asas e nas asas de um morcego também atesta a favor desse propulsor de vôo de um pterodáctilo. As asas membranosas de um morcego possuem costelas esqueléticas formadas por ossos de dedos altamente alongados. É claro que essas costelas de rigidez impedem a viagem de uma onda viajante na membrana - e os morcegos afastam o ar como um pássaro. Em uma asa desprovida dessas costelas de enrijecimento, as condições para a viagem de uma onda progressiva são ideais - com a tensão necessária da correia.
Figura: 2
A propósito, seria muito problemático fornecer a tensão necessária da membrana se, na posição de vôo da asa, os ossos de seu bordo de ataque fossem esticados quase ao longo de uma corda - como geralmente se supõe. Com base na Figura 1, somos apresentados com a configuração de vôo do esqueleto, esquematicamente representada na Figura 2. As asas eram necessárias para os pterodáctilos não para surpreendê-los com o alcance dos exploradores modernos, mas para voar. E apenas as bordas de ataque arqueadas das asas apresentadas tornavam possível, em nossa opinião, resolver vários problemas técnicos de uma vez. Primeiro, foi fácil fornecer, em toda a área da asa, a tensão necessária da correia - com a capacidade de ajustá-la. Em segundo lugar, foi criada uma relação entre o comprimento e a largura da asa, próxima da ótima para gerar uma onda viajante. Terceiro, o problema de alinhamento foi elegantemente resolvido:Bastava um pterodáctilo erguer o pescoço e mover um pouco a cabeça para trás, e a projeção do centro de massa estaria no primeiro terço da asa. Estamos lidando com uma solução técnica engenhosa novamente!
Agora vamos fazer algumas estimativas elementares dos parâmetros das asas das ondas viajantes. Seja a razão entre o comprimento característico da asa l e sua largura característica d de 2,5, seja a área da asa S = 0,8 × ld. A frequência de oscilação f do bordo de ataque das asas do pterodáctilo não poderia exceder vários hertz. Deixe um comprimento de onda viajante se ajustar à largura característica da asa d, então sua velocidade v de movimento ao longo da membrana é v = fd. O impulso do jato estático desenvolvido por uma asa de onda viajante em repouso em relação ao meio aéreo é F stat = mv / t, onde m é a massa de ar lançada de volta no tempo t, igual ad / v. Considerando o chamado. a massa adicionada do ar descarregado, assumiremos que m "r S (d / 5), onde r é a densidade do ar e, portanto, F stat " (1/5) r Sv 2… Como veremos a seguir, esse impulso estático é muito baixo e voar sobre ele não é realista. No entanto, o impulso dinâmico F dyn da asa de uma onda viajante não diminui à medida que sua velocidade no ar aumenta - como nos veículos movidos a hélice - mas, ao contrário, inicialmente aumenta. Isso se deve ao fato de que o ar de entrada forma tubos de vórtice ordenados nas concavidades da membrana, como mostrado esquematicamente na Fig. 3.
Figura: 3 -
Ao contrário das noções da aerodinâmica clássica - que afirma que a formação de vórtices, por exemplo, quando o fluxo é destacado da asa, é um efeito prejudicial, visto que o arrasto aerodinâmico aumenta e a força de sustentação diminui - a formação de tubos de vórtice nas concavidades da asa de uma onda viajante é um efeito útil. Um vórtice de ar tem uma inércia e elasticidade muito maior do que a mesma massa de ar sem turbilhão e, portanto, a "repulsão" de vórtices é muito mais eficaz. Em baixas velocidades de uma asa de onda viajante, ocorre o seguinte: quanto maior a velocidade, mais poderosos vórtices são formados e, consequentemente, maior o empuxo dinâmico. Mas, quando a velocidade de vôo e a velocidade da onda viajante v são iguais, o empuxo dinâmico é obviamente igual a zero. Portanto, há alguma velocidade de voo ideal (de cruzeiro),em que o impulso dinâmico é máximo. Assumiremos que a velocidade de cruzeiro é Vcr = 0,75v e que na velocidade de cruzeiro Fdin = 3Fstat. Para estimar o peso de vôo que as asas de uma onda viajante são capazes de carregar, também precisamos de uma estimativa da diminuição relativa do vôo livre. De fato, com o planejamento livre, o peso da aeronave é equilibrado pela força de levantamento, e a resistência aerodinâmica é equilibrada pela força de tração, que é realizada pela força da gravidade quando a aeronave está baixando. Para este trabalho de gravidade, pode-se escrever uma expressão simplificada MgDh = MVDV, onde M é a massa do veículo, g é a aceleração da gravidade, h é a altitude de vôo e V é a velocidade de vôo. Então, a força de tração devido à força da gravidade com planejamento livre ée na velocidade de cruzeiro Fdin = 3Fstat. Para estimar o peso de vôo que as asas de uma onda viajante são capazes de carregar, também precisamos de uma estimativa da diminuição relativa do vôo livre. Com efeito, com o planejamento livre, o peso do aparelho é equilibrado pela força de levantamento, e a resistência aerodinâmica é balanceada pela força de tração, que é realizada pela força da gravidade quando o aparelho está baixando. Para este trabalho de gravidade, pode-se escrever uma expressão simplificada MgDh = MVDV, onde M é a massa do veículo, g é a aceleração da gravidade, h é a altitude de vôo e V é a velocidade de vôo. Então, a força de tração devido à força da gravidade com planejamento livre ée na velocidade de cruzeiro Fdin = 3Fstat. Para estimar o peso de vôo que as asas de uma onda viajante são capazes de carregar, também precisamos de uma estimativa da diminuição relativa do vôo livre. Com efeito, com o planejamento livre, o peso do aparelho é equilibrado pela força de levantamento, e a resistência aerodinâmica é balanceada pela força de tração, que é realizada pela força da gravidade quando o aparelho está baixando. Para este trabalho de gravidade, pode-se escrever uma expressão simplificada MgDh = MVDV, onde M é a massa do veículo, g é a aceleração da gravidade, h é a altitude de vôo e V é a velocidade de vôo. Então, a força de tração devido à força da gravidade com planejamento livre écom o planejamento livre, o peso do aparelho é equilibrado pela força de levantamento, e a resistência aerodinâmica é equilibrada pela força de tração, que é realizada pela força da gravidade quando o aparelho é abaixado. Para este trabalho de gravidade, pode-se escrever uma expressão simplificada MgDh = MVDV, onde M é a massa do veículo, g é a aceleração da gravidade, h é a altitude de vôo e V é a velocidade de vôo. Então, a força de tração devido à força da gravidade com planejamento livre écom o planejamento livre, o peso do aparelho é equilibrado pela força de levantamento, e a resistência aerodinâmica é equilibrada pela força de tração, que é realizada pela força da gravidade quando o aparelho é abaixado. Para este trabalho de gravidade, uma expressão simplificada MgDh = MVDV pode ser escrita, onde M é a massa do veículo, g é a aceleração da gravidade, h é a altitude de vôo e V é a velocidade de vôo. Então, a força de tração devido à força da gravidade com planejamento livre é
onde V vert é a razão de descida; em V vert << V a relação (V / V vert) é aproximadamente igual ao valor da qualidade aerodinâmica. Vamos fazer estimativas para o caso de uma descida relativa de 1:10 com vôo livre em velocidade de cruzeiro. Ao mesmo tempo, como segue do exposto acima, o impulso dinâmico F din proporcionaria um vôo horizontal (sem abaixar!) De um pterodáctilo com um peso de 10 F din; vôo com uma subida de 1:10 seria fornecido para um peso de 9 F din… As estimativas resultantes são fornecidas na tabela, as dimensões das asas foram tomadas como o parâmetro inicial. Como você pode ver, começando com um comprimento de asa de 2,5 m, a proporção entre o tamanho e o peso da asa torna-se realista para um vôo ativo de uma criatura nas asas de uma onda viajante.
| Comprimento da asa, m | Área da asa completa, m 2 | Frequência de oscilação, Hz | Velocidade da onda de viagem, m / s | Velocidade de voo de cruzeiro, m / s | Dinâmico impulso, kg | Peso, para escalada 1:10, kg |
| 2.0 | 2,56 | 2,4 | 1,92 | 1,44 | 0,75 | 6,75 |
| 2,5 | 4,00 | 2,3 | 2,30 | 1,73 | 1,68 | 15,1 |
| 3,0 | 5,76 | 2,2 | 2,64 | 1,98 | 3,21 | 28,9 |
| 3,5 | 7,84 | 2,1 | 2,94 | 2,21 | 5,40 | 48,6 |
| 4,0 | 10,24 | 2.0 | 3,20 | 2,40 | 8,34 | 75,1 |
Os números obtidos, ao que parece, não correspondem aos parâmetros técnicos de aeronaves ultraleves. De fato, no caso de asas mortas de asa delta e parapente, com os mesmos pesos de vôo e as mesmas áreas de asa, são necessárias velocidades de vôo algumas vezes maiores do que as obtidas por nós. Mas lembre-se de que as asas de uma onda viajante funcionam em um turbilhão de ar ordenado - não apenas se afastando dela, mas também se apoiando nela. Portanto, a força de elevação das asas da onda viajante é correspondentemente maior. Se este aumento na sustentação for descrito por um fator igual a três - como o aumento no empuxo dinâmico, veja acima - então nossas estimativas seriam bastante razoáveis … se não por mais uma circunstância.
Lembremos: o condor, com peso próprio de 15 kg, é capaz de carregar no ar uma carga adicional de 40 kg. Em princípio, um condor pode voar com seu próprio peso de 50 kg. Mas tal vôo exigiria o máximo esforço de forças. Uma criatura que teria que se esforçar constantemente estaria obviamente fora de seu elemento. Não é à toa que o condor, como podemos ver, tem uma "margem de segurança" quase tripla! Portanto: nossas estimativas são obtidas para as condições técnicas de vôo limitantes. Esses modos, teoricamente, são possíveis - mas, na prática, os pterodáctilos precisavam de algum tipo de "truque" que lhes permitisse voar além de seus limites.
Vimos esse "truque" depois que percebemos que os pterodáctilos não tinham leme, nem elevadores, nem ailerons! Como eles administraram seu vôo? Para fazer uma curva, o pterodáctilo poderia liberar a tensão na membrana da asa do lado para o qual deveria virar. Esse movimento reduziria o impulso e a sustentação da asa. A assimetria do impulso da asa causaria uma curva e, para compensar a assimetria das forças de sustentação das asas, o pterodáctilo poderia virar sua cabeça na direção oposta à curva. Quanto ao elevador, em baixas velocidades ele ainda seria ineficaz, portanto, o controle de inclinação, em nossa opinião, poderia ser fornecido apenas em uma pequena faixa de desvios do vetor de voo do plano horizontal - deslocamentos de centralização por meio de deslocamentos da cabeça para trás ou para frente. Como você pode veras oportunidades para acrobacias no pterodáctilo eram mais do que modestas. Se uma rajada de vento inclinasse o pterodáctilo que ganhou altitude, ele não seria mais capaz de retornar ao seu vôo horizontal!
Surge a pergunta: por que os pterodáctilos precisavam ganhar altitude, se era mortalmente perigoso para eles? O voo em altitudes ultrabaixas é justificado apenas em grandes espaços abertos com uma superfície horizontal plana. A conclusão se auto-sugere: os pterodáctilos foram adaptados para voar em altitudes extremamente baixas acima da superfície do mar! E então o "foco" que facilitou tal vôo foi provavelmente o efeito solo, devido ao uso do qual voam os ekranoplanos - a altura de vôo ideal neste caso é cerca de metade da largura característica da asa. É por isso que os pterodáctilos não precisam de ailerons: o espessamento do ar entre as asas e a superfície da água resolveu automaticamente os distúrbios de rotação, inclusive ao virar (veja acima). Aparentemente, os pterodáctilos caçavam peixes e outros habitantes do mar,agarrar a vítima da aproximação com seus bicos dentados - “mergulhar” na água de um metro de altura era, tecnicamente, totalmente seguro. E decolar da água - a uma velocidade de 2-3 metros por segundo - não deveria ser um problema. Um pterodáctilo poderia pegar essa velocidade de decolagem lançando uma onda em execução, com uma amplitude reduzida, ao longo de suas asas estendidas na água - enquanto empurra não do ar, mas da água (compare: um peixe-espada de seis metros, enviando uma onda pelo corpo, se move na água a uma velocidade de até 120 km / h). Como resultado, surge uma imagem maravilhosa do vôo rastejante de um pterodáctilo - ultrabaixo e ultralento, nas asas de uma onda viajante, cuja eficiência é aumentada devido ao efeito de tela. Tal voo, do ponto de vista técnico, é uma obra-prima rara!E decolar da água - a uma velocidade de 2-3 metros por segundo - não deveria ser um problema. Um pterodáctilo poderia pegar essa velocidade de decolagem lançando uma onda em execução, com uma amplitude reduzida, ao longo de suas asas estendidas na água - enquanto empurra não do ar, mas da água (compare: um peixe-espada de seis metros, enviando uma onda pelo corpo, se move na água a uma velocidade de até 120 km / h). Como resultado, uma imagem maravilhosa do vôo rastejante de um pterodáctilo está emergindo - ultrabaixo e ultralento, nas asas de uma onda viajante, cuja eficiência é aumentada devido ao efeito de tela. Tal voo, do ponto de vista técnico, é uma obra-prima rara!E decolar da água - a uma velocidade de 2-3 metros por segundo - não deveria ser um problema. Um pterodáctilo poderia pegar essa velocidade de decolagem lançando uma onda em execução, com uma amplitude reduzida, ao longo de suas asas estendidas na água - enquanto empurra não do ar, mas da água (compare: um peixe-espada de seis metros, enviando uma onda pelo corpo, se move na água a uma velocidade de até 120 km / h). Como resultado, uma imagem maravilhosa do vôo rastejante de um pterodáctilo está emergindo - ultrabaixo e ultralento, nas asas de uma onda viajante, cuja eficiência é aumentada devido ao efeito de tela. Tal voo, do ponto de vista técnico, é uma obra-prima rara!nas asas estendidas na água - enquanto empurra não do ar, mas da água (compare: um peixe-espada de seis metros, enviando uma onda em execução pelo corpo, se move na água a uma velocidade de até 120 km / h). Como resultado, uma imagem maravilhosa do vôo rastejante de um pterodáctilo está emergindo - ultrabaixo e ultralento, nas asas de uma onda viajante, cuja eficiência é aumentada devido ao efeito de tela. Tal voo, do ponto de vista técnico, é uma obra-prima rara!nas asas estendidas na água - enquanto empurra não do ar, mas da água (compare: um peixe-espada de seis metros, enviando uma onda em execução pelo corpo, se move na água a uma velocidade de até 120 km / h). Como resultado, uma imagem maravilhosa do vôo rastejante de um pterodáctilo está emergindo - ultrabaixo e ultralento, nas asas de uma onda viajante, cuja eficiência é aumentada devido ao efeito de tela. Tal voo, do ponto de vista técnico, é uma obra-prima rara!Tal voo, do ponto de vista técnico, é uma obra-prima rara!Tal voo, do ponto de vista técnico, é uma obra-prima rara!
E, apesar da especialização de voo muito estreita do pterodáctilo, há uma vantagem inegável: em comparação com as asas de pássaros, as asas de uma onda viajante são capazes de segurar muito mais peso no ar, e mesmo com uma proporção muito menor da massa dos músculos de voo para o peso corporal total. Expressemos a esperança de que seja possível criar uma aeronave em que o voo se baseie nos princípios acima descritos - e que seja capaz de transportar uma carga útil significativa.
O autor agradece muito a K. Gumerov pela definição do problema, pelos endereços dos recursos de informação e por uma discussão útil.
Autor: A. A. Grishaev, pesquisador independente
