A madarak repülésének vizsgálata
ANTAL HUNOR
Ciszterci Rend Pécsi Nagy Lajos Gimnázium, Pécs
Az embert mindig lenyûgözte a madarak fenséges röpte, kecses, magabiztos, gyors és féktelen szárnyalása. A madár egyszerre jelképezte az erõt, az uralmat (pl. az ókori Rómában és a Habsburg-háznál a sas) és a békét (mint a fehér galamb képében megjelenõ Szentlélek, Jézus keresztelésekor); ugyanakkor más keleti vallásokban is megjelenik, mint az isteni származás jelképe: ilyen a turul.
A csodálat és a tisztelet mellett az ember mindig utánozni
akarta ezeknek a csodálatos lényeknek a levegõbe emelkedését
és haladását, több-kevesebb sikerrel. Ma már
egészen jól mûködõ repülõgépekkel
lehet a közlekedést gyorsabbá, zökkenõmentesebbé
tenni, ám a levegõ tökéletes urai mégiscsak
a madarak maradtak. E rövid bevezetõ után szemléljük
közelebbrõl a madarak repülését.
A repülés funkcionális anatómiája és típusai
Régen azt hitték, a madarak úgy repülnek, hogy amikor lefelé csapnak a szárnyukkal, a tollaik össze vannak csukva, míg fölemelésnél tollaik átengedik a levegõt. Ez egyáltalán nincs így.
Ahhoz, hogy a madarak repülésének bonyolult mechanikáját, anatómiáját és emellett fizikáját megértsük, mindenekelõtt néhány fontos dolgot ismertetni kell.
A madaraknál szembetûnõ a kültakarójuk. Ezt a bõr és a tollazat alkotja. Ötféle tollat különböztetünk meg, amelyek mindegyikének megvan a maga feladata. A toll gerincébõl erednek az ágak (amelyek a zászlót alkotják), amelyekrõl a kiinduló párhuzamos sugarak a végükön található horgokkal kapcsolódnak össze (kivételek a pehelytollak). Bõrük vékony, egyetlen mirigyük a fartõmirigy. Beljebb haladva a vázrendszer elemeivel találkozunk.
1. ábra. A madár testtájékai és
tollazata. Testtájékok: 1. felsô csôrkáva,
2. alsó csôrkáva, 3. orrnyílás, 4. viaszhártya,
5. homlok, 6. szemöldökív, 7. szemgyûrû, 8.
fejtetô, fejbúb, 9. fültájék, 10. tarkó,
11. nyakszirt, 12. nyak, 13. áll, 14. pofa, 15. torok, 16. váll,
17. mellcsonti taréj, 18. mell, 19. has (Herzog, 1968 alapján)
A madár csontváza a testsúly 8-9%-a, ezért szokták a vékony, könnyû testû emberekre azt mondani, hogy madárcsontúak. A szárnyat (mint az embernél a kezet) a vállöv (hollócsõrcsont, lapocka, villacsont) és a szárny csontjai (karcsont, orsócsont, singcsont, szárnyközépcsontok, ujjak) alkotják. Ez a bámulatos pontossággal és célszerûséggel megtervezett vázrendszer, az egyéb segédberendezésekkel együtt, seregnyi mozgásforma végzésére ad lehetõséget.
Az evezõszárnyú repülés két alapfázisból tevõdik össze: 1. Lecsapás, ezzel egyidejû elcsavarodás és 2. felemelés. A vállöv csontjait szilárdan tartják és a karcsont vízszintes síkú mozgatását végzik a lapockatájék izmai, a lapockakarizom, a széles hátizom, a hátulsó repülõhártya, az elülsõ repülõhártya.
Elõrefelé mozgatja a karcsontot a hollócsõrcsont, a karizom és a kétfejû karizom. Hátrafelé mozgatja a karcsontot a lapockakarizom, a széles hátizom és a hátulsó repülõhártya feszítõ izmai.
Ezután nézzük az említett lépéseket részletesebben. A szárny lecsapását és felemelését a mellizmok végzik. Két réteget alkotnak. Közvetlenül a bõr és a pólyák alatt helyezkedik el a nagy mellizom, vagy felületes szegyizom.
A szárny erõteljes lecsapása a nagy mellizomnak köszönhetõ, azonban tapadási helyébõl adódóan nemcsak lefelé mozgatja a szárnyat, hanem a karcsontot el is csavarja, így a vízszintes síkkal 6o-os szöget zár be.
Ha a szárny vége felé haladunk, láthatjuk, hogy az alkar még jobban elõrefordul (eközben a szárny nyújtott helyzetben van). Ez már magyarázatot nyújt arra, hogy mi is az egyes szárnyrészek feladata. A karevezõkön nagy felhajtóerõ és kisebb tolóerõ érvényesül. A kézevezõk egy hátrafelé ható mozgáskomponenst közölnek a levegõvel, tehát az elõrehaladást segítik, és kevésbé a levegõben maradást. Ebbõl láthatjuk, hogy a madár szárnyának a középsõ része (ahol a karevezõk vannak) képezik a hordfelületet – mint a repülõgép szárnya –, a szárny vége (ahol a kézevezõk vannak) pedig olyan, mint a repülõgépnél a légcsavar. Az alkar hossztengelye mentén való elfordulását a könyökízület és a kéztõízület teszi lehetõvé. Ilyenkor az alkar a vízszintessel 45o-os szöget zár be. Ezért a borintóizom és a felületes ujjhajlító izom felel.
2. ábra. A madár tollazatának szerkezete. a)
a galamb evezôtolla, b) a tollcséve hossz- és harántmetszete,
c) az ágak rögzítése a sugarak által;
1. cséve, 2. szár, 3. zászló, 4. alsó
köldök, 5. felsô köldök, 6. ágak, 7. sugarak,
8. proxamális sugarak, 9. kéregállomány, 10.
velôállomány
Emeléskor a kézevezõk becsukódnak, a karevezõk nyitva maradnak, és a két felületrész élei 90o-os szöget zárnak be egymással. Ez a szárny fõ mozgása, ami tulajdonképpen a könyökízület behajlítása és kinyújtása. Eközben a csontok kényszermozgást végeznek a párhuzamos sínvezetés alapján: a könyökízület behajlításával a csuklóízület is behajlik, ezáltal a felkarcsonttal párhuzamosan a kézközépcsontok és az ujjak is a testhez közelítenek (nyújtásnál ugyanez játszódik le fordítva). Ezt a hajlítást a kétfejû karizom, az orsói kéztõhajlító izom és a singoldali kéztõhajlító izom végzi, ami a szárny emelésével egy idõben történik. Az emelést a kis mellizom hajtja végre. Mivel a szárny lecsapása jóval nagyobb energiát igényel az emelésnél, ezért a mellizmok 90%-át a nagy mellizom, míg 10%-át a kis mellizom adja. A kis mellizom tapadási helyébõl adódóan a felkarcsontot visszacsavarja, így a felkarcsont a vízszintessel 12o-os szöget zár be. Az alkar is fölfelé emelkedik és fölfelé is csavarodik. Ez a szögérték 6o, ami fõleg a hanyintóizomnak köszönhetõ.
Amikor a madár szárnya a felsõ holtpontra ér, kinyújtja azt, miközben ismét lecsapja. A kinyújtást a háromfejû karizom részben a hosszú orsói kéztõnyújtó izom és a közös ujjnyújtó izom hajtja végre.
Általánosnak tûnik ez a mozgásfolyamat, ám a különbözõ nagyságú és szárnyformájú fajok evezõrepülése között jelentõs különbségek vannak. A nagy csapásszámú énekesmadarak többsége a szárny emelése közben a karevezõit is becsukja, de kivételt képeznek pl. a fecskék és a varjak. Számos madárnál két evezõszakasz közé beékelõdik egy siklórepülõ szakasz: ily módon repülnek hullámosan a harkályok és pintyek és egyenesen pl. a karvaly és a héja.
Számos madár képes arra, hogy akár helyben is repüljön. Ennek egyik formája a szitálás. A madár kihasználja a szemben fújó szelet, aminek a sebessége megegyezik a saját sebességével, így helyben tud repülni, és figyelni tudja az alatta levõ területet. (A ragadozó madarak gyakran lesik így a zsákmányt.)
A helyben repülés másik formája, amely álló levegõben is alkalmazható, a forgószárnyú repülés. Ennek legjobb képviselõi a kolibrik, de pl. a magriasztott tyúk is ezt az elvet használja, amikor a disznóól tetejére menekül. A forgószárnyú repülés közben a szárny egy fekvõ nyolcast ír le, elõrehúzásnál a szárny tetejére fölfelé néz, míg a szárny hátrafelé mozgatásakor a fonák oldal néz fölfelé. Így nem csoda, hogy a kolibrik elérhetik a másodpercenkénti 80-as csapásszámot, 100 km/h-s sebességet, sõt fékezés nélkül tudnak megállni és irányt változtatni.
3. ábra. Forgószárnyú repülés (felülnézet) (Stolpe, Zimmer 1939)
Ezt a tulajdonságot az ember is szerette volna gépeire átvinni, ám sok fejtörést okozott. E problémával E. Oechimchen francia aerodinamikus is foglalkozott. Köztudott, hogy a szenderek (nagyméretû éjjeli lepkék) sötétedéskor a virágok elõtt szívják tele magukat nektárral. Ezért sztroboszkopikus felvételeket készített a szulákszenderek ezen mozgásformájáról.
Visszatérve a madarakhoz, a forgószárnyú repülésnél még gyorsabb forma zuhanórepülés, amely leginkább a vándor- és vadászsólymokra jellemzõ. A madár, miután eléri a megfelelõ magasságot és zsákmányát is kiszemelte, zuhanásba kezd, és ezt még néhány erõteljes szárnycsapással fokozza, így akár 220-350 km/h-s sebességet is elérhet az áldozat megragadása elõtti kb. 100 m-en.
Zuhanórepüléskor az állat szárnyait hátranyilazza, amivel csökkenti a felületi terhelést (adott felületre jutó tömeg) és így még gyorsabban haladhat. Ha ismerjük a madár sebességét, a fordulópálya sugarát, kiszámíthatjuk, hogy a föllépõ repítõerõ sokszorosa az állat súlyerejének, és ez nagy igénybevételnek teszi ki az állat szervezetét.
Ha a madár meg akar állni, fékezõ siklásba kezd, amikor a farok szétterjesztése mellett a fiókszárnyait is kiterjeszti. A leszállást végül néhány evezõ szárnycsapás fejezi be, amit fékezõ szitálásnak nevezünk. A vízimadarak pl. a sebesség csökkentésére a nyújtott lábbal a vízen való síelést is használják.
A legnagyobb energiát a felszállás emészti föl, ezért néhány madár trükköket alkalmaz. Például a gólyák és a fecskék egy magasabb helyrõl a mélybe ugranak, így a zuhanásból nyert sebességük már elegendõ a fölszálláshoz (másként fogalmazva, a helyzeti energiájukat átalakítják mozgási energiává). Ha erre nincs lehetõség, a nekifutás is megteszi (a vízimadarak víztaposása, a gólyák néhány lépése nekirugaszkodás elõtt), ez általában egybekapcsolódik az induló szitálással: a madár mintegy nekicsapja az álló levegõnek a szárnyát. A szárnya bizonyos erõvel hat a levegõre, a levegõ ugyanekkora, de ellentétes irányú erõvel visszahat a madárszárnyra, ám állszöge miatt – ami emellett nagy – ez az erõ fölbomlik egy vízszintes és egy függõleges komponensre, amelyek eredõje emeli föl a madarat. (Ugyanaz az eset az áramlásba helyezett madárszárnynál: a tengeri madarak csak szétterjesztik szárnyukat és máris a levegõbe emelkednek. Ezen az elven röpül a papírsárkány és szolgál fordítva a versenyautókon a spoiler. Ez a repülésmód elõrehaladásra nem alkalmas, mivel a keletkezõ örvények – amelyek kinetikus energiájukat a madártól veszik el – erõsen lefogják az állatot. Ezért az emelkedés után átváltanak evezõszárnyú repülésbe. Ekkor viszont a madár, mind a Kutta–Zsukovszkij-féle felhajtóerõt (errõl késõbb lesz szó), mind a szemben áramló levegõ mozgási energiájából származó emelõerõt felhasználja (igaz, ezt csekély mértékben).
Az evezõszárnyú repülés egyik különleges formája a víz alatti repülés. Ennek specialistái a pingvinek és az alkák. A pingvinek, mivel repülni nem tudnak, erre a mozgásformára igencsak alkalmasak: keskeny, merev szárnyukkal (ami csak csavarodni, le-föl vagy elõre-hátra tud mozogni, de összecsukódni nem) és erõteljes mellizomzatukkal.
A repülési módok másik nagy csoportja a mozdulatlan szárnyú repülés. Ennek két típusa, a vitorlázó- és siklórepülés. Ahhoz, hogy a siklórepüléshez szükséges magasságot a madarak vitorlázórepüléssel elérjék, a szárazföldi madarak a termikbuborékokat (amelyek általában a keletkezõ kumuluszfelhõk alatt alakulnak ki, ahogy a hegyek lábainál jelentkezõ fölszálló légáramlatok), a tengeriek pedig a szembe áramló szeleket használják ki. Erre jó példa az óriás viharmadár, amely a vízhez közel kezdi vitorlázását. Itt a légáramlatok a vízzel való súrlódás miatt veszítenek mozgási energiájukból, lassabbak lesznek, ám följebb egyre gyorsabbak, míg kb. 30 m-es magasságban sebességük egyenletessé válik. Amikor a madár eléri a kellõ magasságot, siklórepülésre vált és oldalt lesiklik. Potenciális energiájukat alakítják át kinetikussá; ezt a munkát a gravitációs erõ végzi. Szárazföldön a madarak a termikbuborékokban spirálisan fölfelé haladnak, mígnem az elért magasság után tovasiklanak. Érdekesség, hogy a viharos tengereken élõknél a felületi terhelés nagy (pl. a vándoralbatrosznak 1,58 g/cm2). Ez azt eredményezi, hogy a vándoralbatrosz 70 km/h-s siklás után, míg a gólya 45 km/h sebességgel történõ siklással veszít ugyanannyit a magasságából. Így például, ha a két egyed élõhelyét fölcserélnénk, a madarak biztos pusztulásra lennének ítélve.
A repülés fizikai jellemzése
Már csak az maradt hátra, hogy a madarak repülését fizikai szemszögbõl is megnézzük. Ahhoz, hogy a madarak a levegõben tudjanak maradni, a Kutta-Zsukovszkij-féle felhajtóerõket használják föl. A szárny profiljából adódóan a szárny tetején gyorsabban áramlik a levegõ, mint alatta. Így a szárny fölött nyomáscsökkenés jön létre, Bernoulli törvényének értelmében ezáltal az alsó nagyobb nyomás fölemeli. (Bernoulli törvénye ugyan többek között összenyomhatatlan folyadékokra vonatkozik, de a gázok esetében 100 m/s-ig elfogadható eredményeket kapunk.)
Ezt a jelenséget legjobban úgy szemléltethetjük, ha egy vízszintesen tartott papírlap fölött elfújunk; a papírlap vége fölfelé fog emelkedni. Ugyanerre a jelenségre egy másik kísérlet, ha egy közlekedõedény egyik szára felett elfújunk, az ebben az ágban lévõ folyadékszint megemelkedik, mivel a nyugvó levegõ 105 Pa nyomása a kisebb nyomású hely felé nyomja a folyadékot.
Ha több mérést is végzünk, megállapíthatjuk, hogy az áramoltatott levegõ sebességével egyenesen arányos a folyadékoszlop elmozdulása. A madarak leszállásuknál ki is használják ezt, amikor farkukat szétterjesztve sebességüket csökkentik, hogy alacsonyabbra ereszkedjenek. Ugyanez figyelhetõ meg, ha az álló levegõben evezõrepüléssel haladó madár abbahagyja az evezést. A közegellenállásból adódóan sebessége csökken, és ezzel egyenes arányban a felhajtóerõ és a magassága is. Összegezve tehát, ha arra akarunk választ kapni, hogy mely erõk eredõje tartja a magasban a madarat, a felhajtóerõt, a homlokellenállásból származó erõt és a súlyerõt említhetjük.
A köznapi gondolkodásban általában csak azon elmélkedünk, hogyan képesek ezek a hüllõktõl származtatott lények a levegõben maradni. Arra a fontos kérdésre, hogy a madarak formája miként alkalmazkodott a levegõ fizikai tulajdonságaihoz, kevés figyelmet fordítunk. A madarak áramvonalasak, ez nagyon is fontos! A feji végük szétválasztja a levegõt. Ha ez síklap lenne, akkor az elõtte levõ levegõt maga elõtt kellene tolnia. Ám az is fontos, hogy a farki végük elhegyesedõ, így a síklap hátú testtel szemben ötször kisebb az ellenállásuk. Ennek az a magyarázata, hogy a síklap hátú testrõl örvények szakadnak le, amelyben a levegõ nagy sebességgel áramlik, kinetikus energiájuk pedig a repülõ állattól veszik el.
Ahhoz, hogy számszerûleg is bizonyítsuk a madarak csekély ellenállását, a következõ összefüggést alkalmazzuk; a közegellenállás egyenesen arányos a közeg sûrûségével, a testnek a mozgás irányára merõleges legnagyobb keresztmetszetével, a test sebességének négyzetével, és függ egy arányossági tényezõtõl, ami a test alakjára jellemzõ állandó.
Érdekesség, hogy számos vonuló madár, köztük pl. az énekes hattyúk miért vonulnak több ezer méteres magasságban. Erre a kérdésre a levegõ sûrûsége ad választ. Földközelben a levegõre több tíz kilométeres légoszlop nehezedik, és mivel a gázok könnyen összenyomhatók, itt a levegõ kétszer olyan sûrû, mint pl. 5600 m-es magasságban. Tehát a madaraknak ebben a magasságban fele akkora energiát kell fordítani a légellenállás leküzdésére.
A légellenállás kapcsán még egy fontos dologról szólnunk kell. Egy bizonyos sebességen alul a folyadékok áramlása lamináris (réteges), míg egy kritikus sebességen felül ez átvált turbulens (örvénylõ) áramlásba, és ez már nem felel meg a hidrodinamika törvényeinek. Errõl a kritikus sebességrõl ad felvilágosítást a Reynolds-féle szám, amely ha 2300-2400 alatt van, az áramlás lamináris, ha ennél nagyobb, akkor az áramlás turbulens. Az ilyenkor keletkezõ örvények egy csíkot alkotnak, ezt nevezzük Kármán-féle örvényútnak, amelynek energiájáról már korábban szóltam. Az örvények fékezõ hatását a madarak ki is használják, amikor leszállásnál, fiókszárnyaik kiterjesztésével a levegõ áramlását turbulenssé változtatják.
A madarak felépítése és szinte minden életmûködése a repülés szolgálatában van, azt segíti, vagy annak folytán alakult át, fejlõdött ki csökevényesedett el.
Az embereknek levegõbe való emelkedése gépek által meghajtott szerkezete nélkül többek között azért lehetetlen, mert mellizomzatuk gyenge, csontjaik nehezek (levegõ helyett velõvel telt), légzésük rossz hatásfokú, anyagcseréjük lassú, „kevés” vörösvérsejtjük van.
Mióta megjelentek a repülõgépek, az emberi mulasztásból vagy figyelmetlenségbõl származó balesetek többek között azért következtek be, mert az ember idegrendszere a két lábon való járás sebességéhez van szokva. Látása is csupán 15-16 kép másodpercenként, szemben a madarak 140-160 képével (nem is beszélve egyes fajok két sárgafoltjáról, ahol a fényingert érzékelik, látásuk élességének gyors beállításáról, amelyet a szemlencse domborulatát szabályozó izmokon kívül egyéb berendezések is szabályoznak).
Mindebbõl arra a következtetésre juthatunk, hogy bár a repülõgépeknek nagyon sok haszna van, de az ember valódi élettere mégiscsak a szárazföld.
| Természet Világa, | 132. évfolyam, 9. szám, 2001. szeptember
https://www.chemonet.hu/TermVil/ https://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/ |
Vissza a tartalomjegyzékhez