Ocena brak

Lot ptaków

Autor /Trek Dodano /31.01.2012

Każda część ciała ptaka, począwszy od lekkiego dzioba, a skończywszy na wachlarzowatym ogonie Jest zbudowana tak, aby umożliwić la­tanie. Cudem.- ewolucji są w szcze­gólności skrzydła, które u różnych gatunków są przystosowane do różnych technik latania. Ptaki wykorzystują zjawiska aerodyna­miczne w sposób, który do dzisiaj nie został w pełni poznany.
Ptaki są naturalnymi mistrzami aerodynamiki. Andyjski kondor może ważyć ponad 14 kg, a mimo to potrafi godzinami krążyć w prą­dach górskiego powietrza i prawie nie wykorzysty­wać siły swych mięśni. Koliber może zawisnąć w powietrzu machając skrzydłami z częstotliwo­ścią 78 uderzeń na sekundę i manewrować w ten sposób z dokładnością do milimetra, aby trafić dziobem do wnętrza nektarodajnych kwiatów. Jerzyk w locie zdobywa pokarm, kopuluje, a nawet śpi i prawie przez trzy lata od momentu wyjścia z gniazda do rozpoczęcia własnego lęgu przeby­wa w powietrzu. Dzięki procesowi ewolucji każda część ciała ptaka doskonale wykorzystuje właści­wości fizyczne powietrza.
Powietrze zachowuje się podobnie jak płyn. Ota­cza ono glob swymi wirującymi prądami, mkną­cymi przez wietrzne doliny i dookoła górskich szczytów. Powietrze schłodzone przez deszcz z burzowych chmur opada w dół i gwałtownie przemieszcza się wzdłuż ziemi, smagając gałęzie drzew i wyginając parasole. Kiedy nie ma wiatru, możemy poczuć opór powietrza szybko poruszając się, na przykład na motorze.

Opadanie i ślizganie
Powietrze jak wszystkie inne substancje posiada pewną gęstość i stawia opór obiektom, które w nim się poruszają. Kiedy orzech spada z drzewa, leci gwałtownie prawie prostopadle w dół, ponieważ jego okrągły kształt pozwala na szybkie przemiesz­czanie się w tym ośrodku. Jednak opadający z tego samego drzewa liść leci wolniej, gdyż jego kształt sprawia, że zwiększa się ciśnienie pod jego dolną powierzchnią i wytwarza się pod nim poduszka po­wietrzna. Kiedy opada, powietrze wylatuje spod liścia i przemieszcza się w kierunku przestrzeni nad nim. Duża powierzchnia liścia w stosunku do jego masy sprawia, że opór strumienia powietrza skutecznie zmniejsza prędkość jego spadania.
To proste zjawisko jest wykorzystywane przez wiele zwierząt żyjących na drzewach. Na przykład latająca żaba posiada szerokie błony pomiędzy pal­cami, które napotykają opór powietrza i dzięki temu zwierzę, jak na spadochronie, bezpiecznie opada w dół. Co więcej, zmieniając kąt ustawienia koń­czyn, płaz ma wpływ na kierunek przemieszcza­nia się w locie: unosząc prawy brzeg każdej koń­czyny powoduje on przemieszczanie się powietrza na prawo i w ten sposób ześlizguje się w lewą stro­nę na gałąź, która była jego celem.

Praptaki
Najbardziej prymitywny znany ptak - wymarły archeopteryks - prawdopodobnie latał w taki sam sposób jak latająca żaba. Jego skamieniałe szcząt­ki noszą wyraźne ślady piór rozmieszczonych jak szerokie chorągiewki na kończynach przednich i na ogonie: chorągiewki te ustawiały się w powie­trzu jak błony u kończyn latającej żaby i pozwala­ły zwierzęciu na lot ślizgowy z gałęzi na gałąź. Szkielet praptaka wskazuje, że zwierzę to nie posia­dało jednak silnych mięśni koniecznych do odby­wania lotu aktywnego. Nie musiało się to wiązać z dużymi niedogodnościami: kilka współczesnych ptaków, takich jak afrykańskie turaki, lata dość nie­poradnie i woli używać swych skrzydeł do lotu śli­zgowego - ptaki wspinają się w górę, rozkładają skrzydła i szybują w dół, w stronę innego drzewa. Aby nabrać wysokości, muszą ponownie wspiąć się na jakieś drzewo.
W skamieniałych szczątkach nie znaleziono śla­dów przodków archeopteryksa, toteż nie wiemy, w jaki sposób powstały jego pióra. Ponieważ cechy szkieletu wskazują, że wszystkie ptaki są potomka­mi gadów, takich jak dinozaury, jest prawdopodob­ne, że pióra rozwinęły się z gadzich łusek. Są zbudowane z tej samej substancji - keratyny -a większość ptaków do dzisiaj posiada takie same jak gady łuski na nogach.

Stosiny i chorągiewki
Pióra ptaków mają bardziej skomplikowaną budo­wę niż gadzie łuski. Typowe pióro składa się z po­łożonej centralnie stosiny i dwóch sztywnych cho­rągiewek. W skład każdej chorągiewki wchodzą rzędy promyków posiadających haczyki. Haczyld na osobnych promykach zachodzą na siebie i two­rzą dużą powierzchnię nośną; powierzchnia ta może być dość łatwo rozerwana, jednak ptak bez więk­szych problemów może dziobem ułożyć promyki ponownie w wachlarzyk.
Takie pióra posiadające sztywne chorągiewki są nazywane piórami konturowymi: tworzą one powierzchnie lotne skrzydeł i ogona oraz okrywa­ją dachówkowato ptasi tułów, sprawiając, że ma on opływowy kształt. U większości gatunków pod piórami konturowymi znajdują się pióra puchowe, których promyki są nitkowate i miękkie. Nie posia­dają one zachodzących na siebie haczyków. Pióra puchowe pełnią rolę izolacyjną, chroniąc ptaka przed utratą ciepła.

Unoszenie się i krążenie
Pióra skrzydeł, zwane lotkami, umożliwiają pta­kom latanie. Duże lotki na skrzydłach można po­dzielić na trzy grupy: lotki pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu. Lotki pierwszego rzędu są przy­twierdzone do zewnętrznej części skrzydła, wspar­tej na kościach, których odpowiedniki u ssaków i gadów tworzą szkielet dłoni. Mniejsze lotki dru­giego rzędu są osadzone na przedramieniu, w skład którego wchodzą dwie kości - kość promieniowa i łokciowa - a lotki trzeciego rzędu na części ramieniowej skrzydła, której szkielet tworzy kość ra­mieniowa. Końce stosin lotek, tak zwane dutki, są zagłębione w miękkich tkankach skrzydła przy­krytych mniejszymi piórami konturowymi zwa­nymi pokrywami.
Taki układ lotek powoduje, że przedni skraj skrzydła jest o wiele szerszy niż brzeg tylny ufor­mowany tylko z końcówek jednej warstwy lotek. W wyniku tego powstaje profil, znajomy każdemu, kto wie cokolwiek na temat aerodynamiki: wypu­kła powierzchnia górna i płaska lub wklęsła po­wierzchnia dolna.

Przepływ powietrza
Przepływające nad skrzydłem o takiej budowie powietrze powoduje powstanie siły nośnej. Powiet­rze przechodzące ponad powierzchnią wypukłą jest zmuszone do pokonywania dłuższej drogi i dlate­go przesuwa się szybciej niż powietrze przecho­dzące pod płaską powierzchnią dolną. Ponad skrzy­dłem powstaje wtedy podciśnienie. Ponieważ ciśnienie powietrza pod skrzydłem pozostaje nor­malne, wypycha ono skrzydło ku górze, gdzie ciśnienie jest mniejsze.
Ptak, który jest ustawiony przodem do silnego wiatru i ma rozpostarte skrzydła, mógłby unieść się w powietrze wyłącznie dzięki sile nośnej wy­tworzonej przez profil skrzydeł. W praktyce nie jest to jednak takie proste: wiatr musi być na tyle silny, aby powstała siła nośna przezwyciężająca siłę ciążenia, a wiatr o takiej sile prawdopodobnie porwałby ptaka do tyłu. Ptak jednak może prze­zwyciężać siłę wiatru lekko pochylając tułów, co sprawia, że w powietrzu spada do przodu w tem­pie, które określa siła nośna wytwarzana przez skrzydła. Zwiększając lub zmniejszając stopień kąta pochylenia ciała, ptak może unosić się w górę lub obniżać lot albo lecieć na wybranej wysoko­ści. Takie techniki lotu są nazywane szybowaniem i krążeniem.
Niektóre ptaki górskie umiejętnie posługują się tą metodą lotu. Wieszczki i wrończyki szybują wśród prądów wznoszących. Lecą z rozpostarty­mi skrzydłami do przodu, na boki i zataczają koła, a wszystko to dzieje się dzięki sile nośnej wytwo­rzonej przez skrzydła. Lecąc tak, prawie nie macha­ją skrzydłami i wykorzystują wyłącznie prędkość przemieszczającego się powietrza.
Albatros wędrowny pokonując duże odległości nad Oceanem Spokojnym posługuje się techniką zbliżoną do lotu szybowcowego. Tak jak wieszcz­ki i wrończyki, jest uzależniony od wiatru, ale do­okoła Antarktydy wieją silne wiatry przez cały rok. Albatros ustawiając się dziobem do wiatru nad powierzchnią oceanu, wznosi się w powietrze dzię­ki sile nośnej wytworzonej przez swe niezmiernie długie skrzydła. Kiedy znajduje się na wysokości około 10 metrów ponad powierzchnią morza, napo­tyka silniejszy wiatr, którego prędkość nie jest spo­wolniona przez wierzchołki morskich fal; skręca i szybuje w dół, tracąc wysokość i przyspieszając. Kiedy znajdzie się tuż nad oceanem, ustawia się w kierunku odwrotnym do wiatru, zwalnia lot i za­czyna znowu wznosić się w górę. W ten sposób może przelecieć setki kilometrów bez uderzenia skrzydłami i latać bez przerwy tygodniami lub nawet miesiącami.

Cieple kominy
Większość gatunków ptaków lądowych nie może liczyć na stale wiejące silne wiatry. Mimo to wiele ptaków drapieżnych, takich jak na przykład orły i sępy, wykształciło podobną technikę szybowa­nia, która polega na wykorzystywaniu „kominów" powietrznych. Są to krążące masy ciepłego powie­trza, które unoszą się nad nagrzanymi miejscami na lądzie. Kiedy ptak odnajdzie taki komin - być może słysząc dźwięki o niskiej częstotliwości wy­tworzone przez zawirowania powietrza - leci w je­go stronę i zaczyna krążyć. Ponieważ przemieszcza się do przodu, jego skrzydła wytwarzają siłę nośną. W dodatku samo nagrzane powietrze unosi się ku górze, tak więc ptak szybko nabiera wyso­kości. Lecąc po spirali wznosi się coraz wyżej i znalazłszy się na odpowiedniej wysokości opusz­cza komin i szybuje w stronę następnego. Ptak dra­pieżny, taki jak albatros, może pokonywać w ten sposób wielkie odległości bez jednego uderzenia skrzydłami, a niektóre gatunki mogą dzięki tej tech­nice wędrować po niemal całym świecie.
Skrzydła ptaka posługującego się lotem szybow­cowym mają szczególną budowę. Są bardzo szero­kie, aby chwytać prądy wznoszące ciepłego powie­trza i w części dłoniowej mają pióra palczasto rozpostarte. Szczeliny między tymi piórami ogra­niczają zawirowania powietrza na końcach skrzy­deł i dzięki temu ptak może posuwać się do przo­du. Długie lotki pierwszorzędowe pozwalają także na lekkie wygięcie końców skrzydła ku górze, co umożliwia wykonywanie skrętów, kiedy ptak na­biera wysokości.
Na skrzydłach ptaków znajduje się też tzw. skrzydełko uformowane z piór osadzonych na pta­sim „kciuku". Ogranicza ono zawirowania powie­trza przy małych prędkościach lotu, co jest bardzo istotne, kiedy ptak zwalnia i ląduje na gałęzi, zacho­wując pełną kontrolę.

Mocne wymachy
Krążący ptak zużywa mało energii i może przeby­wać w powietrzu przez wiele godzin. Lot aktywny, w przeciwieństwie do biernego szybowania, wyma­ga dużych nakładów energii. Jeśli ptak nie może wykorzystać naturalnych ruchów powietrza, zmu­szony jest posługiwać się swymi mięśniami, aby wywołać przepływ powietrza ponad skrzydłami.
U większości gatunków siła ciągu powietrza jest wytwarzana przez lotki pierwszorzędowe, które znajdują się na końcu skrzydeł. Nakładają się one na siebie jak listewki żaluzji i obracają się w taki sposób, że kiedy ptak unosi skrzydło ku górze, ich płaszczyzny ustawiają się prostopadle do ziemi, a kiedy opuszcza w dół - równolegle. Dzięki temu opór powietrza przy podnoszeniu skrzydeł jest mały, natomiast przy opuszczaniu duży, co spra­wia, że ptak może odpychać powietrze do tyłu i w dół. W efekcie wymachy skrzydłami popycha­ją ptaka do przodu i wywołują przepływ powietrza przez wewnętrzne części skrzydła, które są odpo­wiedzialne za powstanie siły nośnej.
Za wymachy skrzydłami są odpowiedzialne głównie dwie warstwy mięśni piersiowych. Naj­silniejsze mięśnie, tworzące z każdej strony warst­wę zewnętrzną, są przyczepione do spodu skrzy­deł i ich skurcze ściągają skrzydła w dół; słabsze mięśnie wewnętrzne są zakończone ścięgnami, które przechodzą ponad łopatką do przyczepu na skrzydle i ich skurcze są odpowiedzialne za pod­noszenie skrzydła do góry.
Masywne mięśnie piersiowe są przyczepione do równie mocnego grzebienia mostka, który biegnie wzdłuż całej piersi ptaka. Prehistoryczny archeopteryks nie posiadał tak potężnie wzmocnionego grzebienia i dlatego nie był zdolny do lotu aktyw­nego. Mostek jest połączony z nasadą szkieletu kończyn za pośrednictwem sztywnych kości przed-kruczych, które zapobiegają zgnieceniu kości klat­ki piersiowej pod wpływem silnych skurczów mię­śni piersiowych.
O przystosowaniu do lotu w ciele ptaka może świadczyć także budowa całego szkieletu, w któ­rym, w porównaniu ze szkieletem gadów, występu­ją liczne zrosty i mniejsza liczba kości. Obniża to masę ciała i przyczynia się do oszczędzania ener­gii. Nawet duże kości są wewnątrz puste, a cięż­kie kości szczękowe gadów zostały zastąpione lek­kim, lecz bardzo sprawnym, rogowym dziobem. Funkcję zębów przejęły wole i żołądek, które roz­drabniają połknięty pokarm.

Wytwarzanie energii
Ptak musi nie tylko oszczędzać energię ale rów­nież szybko i efektywnie ją wytwarzać. Aby to robić, jego ciało musi być zaopatrywane w wystar­czająco dużą ilość tlenu, co następuje dzięki bardzo wydajnemu układowi oddechowemu. Powietrze dostaje się bezpośrednio nie tylko do płuc, lecz tak­że do worków powietrznych ulokowanych w oko­licy piersi i gardła. Stamtąd przechodzi cienko­ściennymi, bardzo wąskimi przewodami przez płuca i uchodzi przez tchawicę.
Korzyścią z takiego sposobu oddychania jest to, że tlen jest bardzo efektywnie wykorzystany, gdyż świeże, bogate w tlen powietrze przechodzi w cało­ści przez tkanki płuc, a w płucach u ssaków pewna ilość powietrza stale tam zalega. Także i w układzie krwionośnym można dopatrzyć się przystosowań do lepszego wykorzystania tlenu. We krwi ptaka jest zawsze mniej tlenu niż w powietrzu przecho­dzącym przez kanaliki w płucach; dzięki temu tlen lepiej przenika do układu krwionośnego. System ten jest tak wydajny, że ptaki potrafią latać na bar­dzo dużych wysokościach (8000 m), gdzie ilość tlenu w powietrzu jest zbyt mała, aby mogły tam oddychać ssaki.

Mistrzowie latania
Sprawność, z jaką wiele ptaków potrafi latać, nasu­wa przypuszczenie, że mogą one posiadać jeszcze inne przystosowania do lotu, które nie są jeszcze przez nas poznane. Na przykład precyzja, z jaką pracują skrzydła, pozostaje nadal tajemnicą, gdyż elastyczna, wyszukana budowa ptasiego skrzydła pozwala zwierzęciu przystosować się do każdych, nawet najmniejszych zmian prądów powietrza.

■ Ptaki drapieżne obserwowano na wy­sokościach przekraczających wysokość Mount Everestu (8848 metrów).
■ Chociaż pióra ptaków są bardzo lekkie, to jednak zebrane razem mogą ważyć wię­cej niż szkielet.
Małe ptaki śpiewające latają ze średnią prędkością 25 km/h, mewy 35 km/h, a niektóre kaczki 70 km/godz.
■ Największym znanym ptakiem latającym był wymarły gatunek podobny do albatro­sa, którego rozpiętość skrzydeł dochodziła do 7,6 metra. Największą rozpiętość skrzy­deł wśród współczesnych gatunków ma albatros wędrowny - 3,6 metra. Najcięż­szymi ptakami latającymi są łabędzie, któ­rych masa dochodzi do 15 kg, a rozpiętość skrzydeł do 2,5 metra.
■ Wiele małych ptaków potrafi przelecieć bez przerwy co najmniej 3000 km. Najdłuż­szym przelotem mogą poszczycić się gren­landzkie białorzytki, które lecąc nad Atlan­tykiem do północnej Afryki pokonują około 4100 kilometrów.

Podobne prace

Do góry