Биологические науки/7. Зоология

Мултих О.П., Айрапетян А.Л.

Мелітопольський державний педагогічний університет імені Богдана Хмельницького

Оцінка енергетики міграційних польотів птахів

За допомогою програми Flight можна виконати прогноз міграційних дистанцій птахів та провести оцінку витрат енергії, пов'язаних з дальньою міграцією. Дальня міграція характеризується певним типом балансу енергії. Мігруючий птах повинен витрачати енергію для життєзабезпечення, терморегуляції та польоту. Витрати енергії зростають, якщо птах стикається з несприятливими погодними умовами, такими як сильні вітри або низькі температури.

«Пальне» для польоту – це жир, накопичений до міграції, його кількість залежить від розміру птаха. Дальність польоту залежить від кількості «пального», згідно з цим постулатом птах повинен прагнути накопичити якомога більше жирових запасів; проте якщо запаси жиру дуже великі, то це обмежуватиме здібності птаха до польоту і він буде більш уразливим для хижаків. Це свідчить на користь того, що птах не здатний подолати міграційну відстань за один безперервний політ,, а долає цю відстань за декілька коротких етапів [4]. Більшість дальніх мігрантів використовують зупинки,, щоб відпочити й поповнити енергетичні запаси.

Програма також розглядає вплив маси корисного навантаження (кількості жирових запасів), висоти польоту і швидкості вітру на потенційну міграційну дистанцію перелітних птахів. При виконанні розрахунків у програмі використовуються морфометричні дані [2].

Загалом група з трьох дослідників здатна провести необхідні дослідження одного або більше видів птахів, виконати необхідні розрахунки міграційних характеристик та екологічних особливостей польоту за допомогою лінійки, кронциркуля, міліметрового паперу,, ваг, калькулятора та даної програми. Для отримання вихідних даних необхідно виміряти розмах крил і масу тіла досліджуваного птаха.

Програма здатна обчислити енергетичну криву польоту при різних швидкостях,, використовуючи морфологічні дані, та графічно її зобразити. Програма виконує розрахунок енергетично мінімальної швидкості (V_mp), максимальної швидкості (V_mr), енергетичного споживання для обох швидкостей та жирового споживання при максимальній швидкості польоту..

Програма розраховує дальність польоту міграції, допускаючи споживану жирову масу як 30 % від маси тіла, розглядає вплив фронтального вітру при його різних швидкостях, різний первинний уміст жиру на максимальну відстань, яку здатний подолати птах, та жирове споживання під час польоту..

Існує можливість запуску підпрограми, яка обчислює дистанцію польотів дальніх мігрантів. Перед запуском програми досліднику необхідно оцінити середнє співвідношення між підйомною силою та лобовим опором,, або аеродинамічну якість, яку можна отримати шляхом запуску головної програми двічі. При першому запуску необхідно встановити корисне навантаження, що дорівнює нулю (коли енергетичні ресурси повністю виснажені), при іншому запуску слід установити масу споживаного жиру.

Перший блок результатів представляє записи запровадженої інформації та значення змінних, необхідних для обчислення. Програма будує енергетичну криву в приростах 1 м/с, починаючи від значення, дещо нижчого за мінімальну енергетичну швидкість і завершуючи значеннями,, які дещо вищі за максимальну швидкість. Основна інформація, розрахована програмою,, це:

1) швидкість польоту, м/с;

2) сумарна енергія, необхідна для польоту (у ватах), зокрема базальний метаболізм та енергія, необхідна для дихальної та кровоносної систем;

3) ефективне співвідношення між підйомною силою і лобовим опором;

.

4) сумарна енергія, що виражена хімічною формулою. Це значення можна отримати з ділення значення пункту 2 на конверсійну ефективність. Можна використовувати ці дані для порівняння з оцінками енергоспоживання,, одержаними при проведенні фізіологічних експериментів, наприклад, при вимірюванні кисневого споживання.

5) споживання жиру, г/км, при обчисленні якого враховується значення фронтального або попутного вітру, задане користувачем .

.

Крім того, програма виконує такі підрахунки:

- мінімальну енергетичну швидкість, V_mp (м/с): швидкість, із якою птах повинен летіти при найменших витратах енергії;

- максимальну швидкість, V_mr (м/с): швидкість, із якою птах може покрити найбільшу відстань згідно із заданою кількістю пального (жиру);

- P_min – споживання енергії для мінімальної енергетичної швидкості (W);

- P_mr – споживання енергії для максимальної відстані, яку птах здатний подолати;

- L/D_max - безрозмірне співвідношення, яке використовують,, щоб порівняти аеродинамічну ефективність різних видів птахів при різних швидкостях..

Мінімальне жирове споживання обчислюється для польоту на максимальній швидкості. На відміну від значення пункту 5, ця величина розраховується, не беручи до уваги швидкості вітру.

У програмі існує спеціальний алгоритм, який призначений для вирішення проблем механічної природи і ґрунтується на оцінках механічної енергії польотної мускулатури.. Її основна відмінність полягає в припущенні, що загальна енергія – це механічна енергія, необхідна для польотної мускулатури,, виключаючи метаболічні компоненти енергії (базальний метаболізм та енергію кровообігу/дихання).

Дана підпрограма спроектована для того, , щоб оцінити витрати енергії ширяючого польоту,, перш за все великих (грифи, лелеки) і морських видів птахів (альбатрос). Ця підпрограма вимагає додаткових даних – площі крил птаха (м²). Програма пропонує два блоки результатів. Вона видає на друк «полярну супердіаграму», в основі якої знаходиться припущення, що птах зменшує розмах крил при середніх і високих швидкостях на величину, яка мінімізує індуктивний і профільний опір повітря [3, 5]. Другий блок показує оцінку максимальної швидкості підняття птаха у висхідні теплі потоки повітря (до 6 м/с). Для значення вертикальної швидкості наводяться дві оцінки: перша, розрахована за даними полярної діаграми стандартним методом [1], і друга, яка припускає, що птах завжди летить між висхідними потоками повітря на швидкості, що відповідає ідеальному куту ширяння незалежно від вертикальної швидкості [2]. Розрахунок споживання жиру базується на припущенні, що повна норма споживання паливної енергії під час ширяючого польоту вдвічі більше від норми базального метаболізму. При розрахунках беруться до уваги будь-які значення попутного або супротивного вітру, які можуть бути задані користувачем.

Нами було виконане дослідження аеродинамічних лелеки білого Сiconia ciconia, у розрахунках ми оперували величиною «фактор розмаху крил» (табл. 1). Фактор розмаху крил – це коефіцієнт, що показує відхилення від еліптичного розподілу підйомної сили розмаху крила. На рис. 1 наведено графік, що демонструює відношення вертикальної та горизонтальної швидкості.

Рис. 1. Залежність між фактором розмаху крил, вертикальною швидкістю висхідних потоків повітря та швидкістю польоту лелеки білого.

Таблиця 1.

Основні характеристики польоту лелеки білого (тут і далі - за розрахунками програми «Flight»)

Параметр	Значення
Мінімальна швидкість ширяння, м/с	7,51
Відношення мінімальної швидкості ширяння до швидкості з мінімумом енергетичних затрат	0,52
Мінімальна швидкість у термальному потоці, м/с	8,00
Мінімальна швидкість висхідного потоку, м/с	0,61
Максимальна швидкість ширяння, м/с	12,5
Оптимальний фактор розмаху крил	16,6
Радіус обертання птаха в пошуках висхідного потоку (при швидкості висхідного потоку 1,4 м/с та куті крену 24°), м	18,2

Примітка. Мінімальна швидкість ширяння - «швидкість завалювання на крило», розрахована на підставі максимального підйомного коефіцієнта - коефіцієнта підйомної сили при куті крену 24°, що є типовим для великих за розмірами видів птахів. Радіус обертання птаха - круговий радіус, розрахований для порівняння здатності птахів відшукувати вузькі термальні потоки.

ВИСНОВКИ

Оптимальна швидкість дозволяє птахам виконувати польоти з більш крутим ширянням та більш короткою відстанню між термальними потоками. Час для пошуку наступного ефективного терміку (термального потоку) скорочується через збільшення швидкості, що, у свою чергу, скорочує середній підйом у термальних потоках, збільшує ризик не знайти відповідний термік.

При великих швидкостях ширяння птахи зменшують розмах крила та площу крил за рахунок згинання суглобів кінцівок. Це зменшує профільний опір та збільшує індуктивний опір. Профільний опір зростає, а індуктивний опір зменшується зі зростанням швидкості птаха. При ідеальних умовах птахи намагаються знайти таке положення розмаху крил, яке зменшує різницю між значеннями профільного та індуктивного опору.

ЛІТЕРАТУРА:

1. Batschelet E. Circular statistics in biology / E. Batschelet. - Academic Press, London. - 1981. - 272 p.

2. Pennycuick C.J. Bird flight performance: a practical calculation manual / C.J. Pennycuick. - Oxford University Press, Oxford, - 1989. - P. 1-15.

3. Pennycuick C.J. Mechanics of flight / C.J. Pennycuick //Avian Biology. - 1975. - Vol. 5. - P. 1-75.

4. Safriel U.N. Weight changes of cross-desert migrants at an oasis - do energetic considerations alone determine the length of stopover? / U.N. Safriel, D. Lavee // K.P. Able // Auk. - 1988. - Vol. 105. - P. 205-206.

5. Welham C.V.J. Flight speeds of migrating birds: a test of the maximum range speed predictions from three aerodynamic equations / C.V.J. Welham // Behavioral Ecology. - 1994. - Vol. 5. - P. 1-8.