Автор: Алексеева Стефания Евгеньевна
Возраст: 15 лет
Место учёбы: МОБУ гимназия №5
Город: Давлеканово
Руководитель: Суркова Наталья Борисовна, МОБУ гимназия 5

Крыло птицы или крыло самолета:
сравнительный анализ аэродинамических решений
в природе и технике

План

1. Введение
2. Теоретическая часть  
    2.1. Обзор основ аэродинамики крыла 
    2.2. Краткая история  
    2.3. Особенности крыла самолёта 
    2.4. Морфологические особенности крыла птицы 
3. Методика исследования 
    3.1. Исторические примеры исследований
    3.2. Биомиметика как методологический подход  
    3.3. Современные методы: CFD-моделирование и физические эксперименты  
    3.4. Эксперимент доктора Т. Т. Лима (1992) 
    3.5 Российские исследовательские группы по бионике крыльев птиц
4. Аналитическая часть  
    4.1. Преимущества и ограничения каждого типа крыла  
    4.2. Типы крыльев у птиц  
    4.3. Типы крыльев у самолётов  
5. Биомиметика в современной авиации  
6. Заключение
7. Литература

«Птица — действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти…» 
                            Леонардо да Винчи

Введение

Каждый раз, когда мы смотрим в небо, чаще всего можем заметить два предмета для исследования: птицу и самолёт. Так и я, выйдя на улицу после проведения финала 22-ой Международной олимпиады по авиации и воздухоплаванию имени Можайского, посмотрела в небо и задумалась: «А что если сравнить крыло птицы и самолёта?» Казалось, это такие привычные вещи для нас, но для авиации они оказались целой историей. Так и появилась идея написания новой исследовательской работы, и уже тогда, стояв на улице, я знала, что обязательно хочу вернуться в это место и рассказать о теме, которую назвала «Крыло птицы или крыло самолета: сравнительный анализ аэродинамических решений в природе и технике».

Я думаю, что эта тема на сегодняшний момент очень актуальна. Сравнивать крылья птиц и самолётов интересно и полезно, потому что природа придумала очень умный способ летать. Птицы умеют менять форму крыльев и движениями управлять полётом — это позволяет им легко маневрировать, экономно расходовать энергию и быстро адаптироваться к разным условиям. Самолёты же летают на жёстких крыльях, которые хорошо подходят для быстрой и стабильной работы, но не так гибки и универсальны, как у птиц.

Изучая, как птицы так мастерски летают, учёные могут создавать новые технологии для самолётов и дронов. Это очень важно для современных задач: улучшения экологичности, безопасности, комфортности, экономичности и эффективности авиации.

К тому же, такие знания помогают и в хобби—авиамоделизме, где можно делать модели, которые летают более натурально, как живые птицы. Такой подход открывает новые возможности для развития авиации и техники в целом.

Я предполагаю, что крыло птицы благодаря своей изменяемой форме и способности к динамическим махам обладает аэродинамическими преимуществами в манёвренности и энергоэффективности по сравнению с фиксированным крылом самолёта, которое оптимизировано для создания подъёмной силы при постоянных режимах полёта.

Эту тему я и хочу глубже раскрыть в своей работе. 

Цель работы:

Провести сравнительный анализ аэродинамических решений крыла птицы и крыла самолёта для выявления преимуществ биомиметрических подходов и перспектив их применения в современной авиации и авиамоделизме.

Основные задачи:

1. Проанализировать историческую эволюцию от наблюдений к современным адаптивным конструкциям.
2. Систематизировать морфологические особенности крыльев: фиксированная геометрия самолёта или изменяемая форма птичьего крыла с перьями и динамичным махом.
3. Изучить методику исследования. Оценить методы сбора данных.
4. Выявить преимущества и ограничения каждого типа крыла самолёта и птицы. 

Гипотеза: Крыло птицы благодаря своей изменяемой форме и способности к динамическим махам обладает аэродинамическими преимуществами в манёвренности и энергоэффективности по сравнению с фиксированным крылом самолёта, которое оптимизировано для создания подъёмной силы при постоянных режимах полёта.

2.Теоретическая часть

2.1 Обзор основ аэродинамики крыла (подъемная сила, сопротивление, профиль крыла, угол атаки)

Прежде чем приступать к сравнению крыла птицы и самолета, я решила более подробно изучить основы аэродинамики.

В 1904 г. Н.Е. Жуковский - русский учёный в области механики, основоположник современной аэромеханики создал вихревую теорию крыла. Согласно его теории, вращающийся цилиндр вследствие вязкости воздуха будет увлекать за собой пограничный слой и прилегающие к нему слои воздуха. В итоге, он выяснил, что разность давлений на верхней и нижней поверхностях приведет к появлению подъемной силы.

Рис 1

Эксперимент русского ученого: ключевым экспериментом, подтвердившим теорию Жуковского, стали опыты его ученика, С.А. Чаплыгина, в аэродинамической трубе Московского высшего технического училища в начале XX века. Чаплыгин не только визуализировал обтекание профилей дымом, но и количественно измерил распределение давления по поверхности крыла, получив данные, которые с поразительной точностью совпадали с предсказаниями теории идеальной жидкости, скорректированной для реальных условий.

Долгий путь был пройден людьми от мифов до точных формул, чтобы узнать «Что же такое сопротивление?»

Выйдя на улицу, мы часто чувствуем порыв ветра в лицо, так и древние люди чувствовали сопротивление воздуха — когда тянули повозку, метали копье или ловили ветер парусом. Но первым, кто попытался описать это явление научно, был Аристотель (IV век до н.э.). Он считал, что тело движется только пока сила приложена к нему, но, конечно, его теория была во многом ошибочной. Она господствовала почти 2000 лет и серьезно тормозила прогресс.

Все изменилось с приходом Галилео Галилея (1564–1642). Галилей был гением эксперимента. Он сбрасывал шары с Пизанской башни (или, скорее, с наклонных плоскостей в лаборатории) и понял главное: в вакууме все тела падают одинаково. А разница в падении пушинки и камня — это и есть действие сопротивления воздуха! 

Рис. 2

Исаак Ньютон (1643–1727) подошел к задаче как теоретик. Он представил воздух потоком отдельных одинаковых частиц, которые ударяются о лобовую поверхность тела и передают ему свой импульс и создал формулу. Но такая модель, разумеется, была слишком упрощенной. 

После теории были открыты новые закономерности сопротивления с помощью экспериментов. Итак, Галилей сказал: «Сопротивление есть», Робинс измерил и сказал: «Оно сильно зависит от скорости и размера», Рейнольдс объяснил: «А ещё оно зависит от того, как именно воздух обволакивает поверхность — плавно или с завихрениями». Можно сделать вывод, что каждый эксперимент дополнял другой и благодаря теории, я поняла, что сопротивление — это сила, которая противодействует движению самолёта. Оно возникает из-за трения воздуха о поверхность самолёта и зависит от формы, размера и скорости самолёта.

Так что в следующий раз, чувствуя порыв ветра в лицо, вспомните эту многовековую эпопею научной мысли, которая позволила нам не только понять природу этого ветра, но и покорить его.

Эксперимент. В 1894 году Константин Эдуардович Циолковский в своей работе «Аэродинамика» провел серию расчетов и мысленных экспериментов, в которых рассматривал сопротивление различных тел (шаров, пластин, обтекаемых форм) в воздушном потоке. Он одним из первых в России количественно оценил влияние формы на лобовое сопротивление и пришел к выводу, что для достижения больших скоростей необходимо стремиться к максимально обтекаемым очертаниям, заложив тем самым основы рационального проектирования фюзеляжей и других частей летательных аппаратов.

2.2 Краткая история

Изучение природы (XV век)

Леонардо да Винчи наблюдал за птицами, анатомией их крыльев и перьями, создав первые эскизы орнитоптеров с машущими крыльями (1485–1499 гг.).н отметил роль концевых частей крыла в тяге и ввёл идею клапанов для снижения сопротивления на обратном ходе, но конструкции не летали из-за нехватки мощности.

Промежуточные опыты (XIX век)

Братья Лиллиентали (1890-е) исследовали крылья птиц, построили планёры с птичьим профилем и опубликовали книгу «Полёт птиц как основа искусства летать». Отто Лиллиенталь совершил сотни планирующих полётов, подтвердив подъёмную силу неподвижного крыла.

Рис. 3

Переход к самолёту (конец XIX – начало XX в.)

Александр Можайский (1882) рассчитал подъём для неподвижного крыла, построив прототип самолёта. Братья Райт протестировали в аэродинамической трубе (рис. 4) профили крыльев (1900–1902), подтвердив эффективность фиксированной геометрии с элеронами, что реализовали в первом полёте Flyer I.Это стало прорывом, отказавшись от полного маха ради простоты.

Рис. 4

1930–1940-е: Тонкие профили и стреловидность

Крылья истребителей утончились до 8–15% хорды для скоростей 500–700 км/ч, с смещением максимальной толщины назад (И-16). В 1935 г. тесты в аэродинамических трубах подтвердили преимущества стреловидного крыла против волнового кризиса на трансзвуке.

1950–1960-е: Сверхзвук и эксперименты

Сверхзвуковые самолёты (МиГ-19, F-100) получили сильную стреловидность 45–60° и дельтовидные крылья для устойчивости на M=1,5–2. Появились сверхкритические профили 1-го поколения с подрезкой передней кромки.

Рис. 5

1970–1980-е: Переменная геометрия

Крылья с изменяемой стреловидностью (Су-24 1970 г.) поворачивались от 20° на низких скоростях до 68° на сверхзвуке, сочетая подъём и скорость. Это решило компромисс фиксированной геометрии.

Рис. 6

1990-е – настоящее: Адаптивные и композитные

Композитные материалы позволили морфинг-крылья (NASA 2000-е, изменяющие кривизну как у птиц) и ламинарные профили (Boeing 787). Современные разработки — гибкие законцовки для снижения вихрей и UAV с биомиметрией.

Вывод: Развитие крыла самолёта отражает эволюцию от имитации птичьего маха к фиксированной геометрии, оптимизированной для скорости, устойчивости и масштаба. Ключевые этапы, преодолели ограничения природы через инженерию. Это заложило основу для современных самолётов. Это сделало авиацию массовой и эффективной, сохранив биомиметрические идеи для будущего.

2.3 Особенности крыла самолёта

Крыло самолёта представляет собой ключевую несущую поверхность, обеспечивающую подъёмную силу для полёта. Оно характеризуется фиксированной геометрией, которая определяет его аэродинамические свойства, и включает управляющие поверхности для контроля траектории. Эти элементы делают крыло основным органом управления и устойчивости аппарата.

Фиксированная геометрия

Фиксированная геометрия крыла подразумевает неизменные параметры, такие как размах, хорда, стреловидность и профиль, не поддающиеся регулировке в полёте. Эти характеристики определяют базовую плоскость крыла, угол установки и аэродинамическое качество, обеспечивая стабильность на различных режимах. Например, трапециевидные крылья с прямолинейными кромками — простейший класс такой геометрии, оптимизированный для создания подъёмной силы при минимальном сопротивлении.

Несущая поверхность

Несущая поверхность крыла генерирует основную подъёмную силу, уравновешивающую вес самолёта, благодаря профилированной форме в сечении. Она состоит из центроплана и консолей, укреплённых лонжеронами, нервюрами и обшивкой, что обеспечивает прочность и передачу нагрузок. Геометрия, включая удлинение и V-образный угол, повышает устойчивость, особенно поперечную, за счёт неравномерного обтекания при крене.

Управляющие поверхности

Управляющие поверхности, такие как элероны (рис. 7), закрылки и предкрылки, расположены на задней кромке крыла и отклоняются для изменения подъёмной силы или создания моментов крена. Элероны обеспечивают крен, закрылки увеличивают подъём на взлёте и посадке, а их синфазное отклонение улучшает манёвренность. Эти элементы интегрированы в конструкцию без нарушения общей фиксированной геометрии, сохраняя симметрию и эффективность.

Рис. 7

2.4 Морфологические особенности крыла птицы

Крыло птицы отличается от самолётного высокой адаптивностью благодаря изменяемой форме, сложной структуре перьев и динамичному маховому движению. Эти морфологические особенности обеспечивают эффективный полёт в различных условиях, от парения до манёвров. Здесь мне хочется глубже рассмотреть особенности крыла птицы.

Изменяемая форма

Крыло птицы способно менять кривизну, угол атаки и размах в полёте за счёт подвижных суставов и гибких элементов. Во время взмаха оно изгибается, увеличивая подъёмную силу, а на планировании расправляется для снижения сопротивления. Эта адаптивность превосходит фиксированную геометрию самолётов, позволяя оптимизировать аэродинамику под скорость и нагрузку.

Структура перьев

Перья формируют лёгкую, гибкую несущую поверхность: маховые перья первого порядка создают жёсткий каркас, второго — заполняют зазоры, а контурные обеспечивают обтекаемость. Бородки с крючочками сцепляются как "молния", образуя щели на концах для снижения вихрей и повышения эффективности. Пуховые и нитевидные перья добавляют теплоизоляцию и сенсорику.

Динамичный мах

Маховый цикл включает активный взмах вниз (генерация подъёма) и пассивный вверх (с минимальным сопротивлением за счёт складывания). Пропатагиум и мощные грудные мышцы обеспечивают высокую частоту и амплитуду, а асимметрия перьев предотвращает сваливание. Это даёт манёвренность и экономию энергии, недостижимые для фиксированных крыльев.

Рис. 8

Крыло птицы – функция мотора

Конечно, стоит сказать о крыле как о функции мотора. В отличие от большинства летательных аппаратов, у которых подъёмная сила и тяга генерируются раздельными системами (крылом и двигателем соответственно), крыло птицы выполняет двойную функцию: оно одновременно является несущей поверхностью и источником тяги. Эта особенность обусловлена способностью птиц осуществлять активные маховые движения, при которых крылья не просто рассекают воздушный поток, но и целенаправленно взаимодействуют с ним, создавая как подъёмную силу, так и продольную тягу.

Рис. 9

Во время махового полёта (рис. 8) птица изменяет угол атаки, кривизну и площадь крыла на каждом этапе взмаха. На опускании крыла создаётся основная подъёмная сила и значительная часть тяги за счёт отбрасывания воздуха вниз и назад. На подъёме крыло частично складывается или меняет ориентацию, минимизируя сопротивление и даже используя аэродинамические эффекты для дополнительной поддержки. Таким образом, крыло птицы действует как биомеханический мотор, преобразующий мышечную энергию в аэродинамическую работу без необходимости в отдельном пропульсивном устройстве.

Этот принцип лежит в основе концепции орнитоптеров — летательных аппаратов, имитирующих маховый полёт птиц. Хотя современная авиация в основном использует реактивные или винтовые двигатели, исследования в области биомиметики показывают, что интеграция функций несущей поверхности и движителя может значительно повысить энергоэффективность и манёвренность малых летательных аппаратов, особенно в условиях низких скоростей и сложной аэродинамической обстановки .

Таким образом, крыло птицы нельзя рассматривать исключительно как пассивную аэродинамическую поверхность — оно представляет собой сложную активную систему, совмещающую функции крыла и мотора, что делает его одним из самых совершенных решений в природе для устойчивого и эффективного полёта. А также, я пришла к выводу, что крыло самолёта с фиксированной геометрией и крыло птицы с изменяемой формой демонстрируют разные подходы к созданию подъёмной силы, где техника жертвует адаптивностью ради простоты, а природа — наоборот. Сравнение подчёркивает компромиссы в аэродинамике: самолёты оптимизированы для стабильности и скорости, птицы — для манёвренности и энергоэффективности. Биомиметика крыла птицы вдохновляет разработки переменной геометрии в авиации.

3. Методика исследования

Теперь, разобравшись в теории аэродинамики, я предлагаю перейти к методике исследования. При написании работы, для меня этот раздел оказался одним из самых интересных. 

Исследование крыла на примере птиц может включать разные методики: 

• теоретический анализ, 
• наблюдение, 
• эксперимент 
• компьютерное моделирование.

3.1. Исторические примеры исследований

Одним из первых, Леонардо да Винчи (1452–1519) объединил наблюдения и науку.  Он наблюдал за птицами, анализировал их полет, делал эскизы. На основе этих данных он внес вклад в аэродинамику, создав проект орнитоптера в 1485–1487 годах, далее прототип дельтаплана в 1488 году. Также он интересовался возможностями крыла.

Наблюдал за птицами и Александр Фёдорович Можайский, который в 1882 году создал первый в России прототип самолёта с неподвижным крылом (рис. 10).Но как потомственный моряк контр-адмирал Можайский заразился идеей полётов? Биографы утверждают, что произошло это в Роченсальме Выборгской губернии (Котке), где Александр Фёдорович провёл раннее детство.Там он следил за крупными птицами, мастерил и запускал воздушных змеев… И отлично рисовал. Идея создания летательного аппарата возникла у Можайского в 1856 году под влиянием наблюдений за полётом птиц, которое было и в детстве. Став взрослым, он решил воссоздать средствами механики птичьи крылья, которые могли бы оторвать от земли гондолу с людьми. 

Можайский определил, что скорость полёта летящего объекта напрямую зависит от нагрузки на единицу его поверхности. То есть чем больше размах и площадь крыльев и легче корпус, тем дольше птицы могут лететь вперёд даже с неподвижными крыльями. При этом Можайский пришёл к выводу, что при создании летательных аппаратов нельзя просто копировать птиц. Он сделал чертёж голубя, рассчитав удельную нагрузку на крыло, и использовал эту величину при разработке характеристик самолёта. Самолёт «Жар-птица» был закончен летом 1882 года на военном поле близ Красного Села под Санкт-Петербургом. 

Рис. 10

В 1970-х годах в Институте проблем экологии и эволюции АН СССР под руководством профессора А.К. Мартынова была создана уникальная экспериментальная установка для изучения биомеханики полета птиц. С помощью высокоскоростной киносъемки и тензометрических датчиков, установленных на специально обученных соколах и голубях, ученые впервые смогли количественно измерить силы, развиваемые крыльями на каждом этапе махового цикла, а также точно зафиксировать деформации перьев и костей. Эти данные стали фундаментом для понимания энергоэффективности птичьего полета и вдохновили первые советские проекты орнитоптеров.

3.2. Биомиметика как методологический подход  

Этими примерами я хотела показать, что птицы , а то есть природа становится источником вдохновения инженеров на инновации. Итак, что же такое биомиметика? Это имитация природы для решения человеческих задач, то есть это изучение натуральных систем, процессов и элементов для поиска идей новых изобретений, помогающих людям решать различные проблемы Я считаю, что биомиметика существовала всегда. Люди создавали новое, вдохновляясь природой.

Рис. 11

3.3. Современные методы: CFD-моделирование и физические эксперименты 

Тогда что насчет современной методики исследования? Конечно, нам следует продолжать изучение птиц, наблюдать за ними, но прогресса не будет, если основываться только на этих данных. Меня заинтересовал этот вопрос, поэтому я нашла еще один источник для анализа. Итак, перед нами открывается новая возможность для получения информации через компьютерное моделирование (рис. 12). 

CFD-моделирование (Computational Fluid Dynamics, вычислительная гидродинамика) — компьютерное моделирование, при помощи которого изучают потоки жидкостей и газов. Простыми словами, это способ прогнозировать и исследовать характеристики потоков в 3D-формате.

Рис. 12

В настоящее время использование вычислительных экспериментов с использованием CFD-систем позволяет смоделировать поведение летательного аппарата без построения опытного образца, что существенно повышает эффективность конструирования. Решение классической задачи обтекания тела позволяет получить поле скоростей вокруг него и вычислить значения силы лобового сопротивления и подъемной силы.

Для рассмотрения взаимного влияния движения окружающей среды и тела используется модель 6DOF (six degrees of freedom − шесть степеней свободы), согласно которой тело может двигаться в среде под действием внешних и внутренних сил. 

3.4. Эксперимент доктора Т. Т. Лима (1992) 

Так, я нашла интересный эксперимент, который был описан впервые в 1992 году в журнале «NATURE», написанный доктором Т. Т. Лимом (рис. 13). Возможно, вы уже видели это устройство, существует соответствующее видео, где два вихревых кольца сталкиваются вместе и создают вторичные кольца, отлетающие с периферии. Ученые исследуют неожиданную устойчивость летающих объектов, которые в быту считаются «неаэродинамичными». Они бросают в воду (а затем и в воздух) простые объекты — плоские пластины и диски с отверстиями — и с помощью красителя визуализируют потоки.

Самое впечатляющее — стабильный полёт перфорированного диска:

Обычный плоский диск при броске быстро кувыркается и падает. Но если в диске проделать большое центральное отверстие, он обретает удивительную устойчивость и летит, как летающая тарелка, по стабильной траектории. Причина — особая вихревая структура, которую формирует отверстие.

Как это выглядит:

1. Объект помещают в резервуар с водой (это замедляет процесс и делает его видимым).
2. Добавляют цветные красители, которые обтекают объект при движении.
3. Снимают на высокоскоростную камеру.

На фото видно, как за сплошным диском возникает нестабильный вихревой след, который его раскачивает. А за перфорированным диском формируется аксиально-симметричное «вихревое кольцо», которое стабилизирует его полёт, действуя как встроенный гироскоп и аэродинамический руль.

Рис. 13

Сам  ученый сказал об этом эксперименте так : « Я начал этот процесс, просто желая воссоздать то, что захватило мое воображение. Но, очевидно, это переросло в нечто гораздо большее».

Итак, данный эксперимент наглядно демонстрирует ключевой принцип современного инженерного анализа: комплексное использование физического эксперимента и CFD-моделирования является наиболее эффективной методологией исследования сложных аэродинамических явлений.

Таким образом, CFD — это не просто «программа для расчёта потока». Это целостная методология цифрового инженерного исследования, позволяющая проникать в суть аэродинамических процессов, гибко управлять параметрами и существенно сокращать путь от смелой идеи до летающего образца. Она сместила фокус с констатации фактов («как летает?») на глубокий анализ причин («почему именно так?»), что определяет её ключевую роль в разработке авиационной техники будущего.

3.5 Российские исследовательские группы по бионике крыльев птиц

В России специализированных крупных групп по бионике крыльев птиц немного. Они развиваются в вузах, студенческих лабораториях и междисциплинарных проектах МАИ, СПбГПУ, ЦАГИ. 

Основные группы и лаборатории

4. Аналитическая часть

4.1. Преимущества и ограничения каждого типа крыла 

Итак, мне хотелось бы обсудить такую важную тему как «Разбор преимуществ и ограничений каждого типа крыла». Но я подойду к ней со своей точки зрения, и, надеюсь, вам будет интересно. 

Полёт уже давно является мечтой человечества, стремлением покорить небеса, которое тянется сквозь тысячелетия. Удивительно, но, как мне известно, самые глубокие знания о полёте были получены не в лабораториях или с помощью компьютерного моделирования, а в результате наблюдения за окружающим нас миром природы — в частности, за элегантным и эффективным полётом птиц. Разновидности крыльев птиц можно сравнить с коньками. Представьте, вы выбираете коньки, но чего вы от них хотите? Если они вам нужны для плавного, грациозного катания, то смело выбирайте фигурные, а если же вы хотите от них быстрых ускорений, резких поворотов, то следует брать хоккейные. То же самое происходит при создании и выбора формы крыла. Что требуется от самолета: скорость, маневренность или устойчивость? От этих факторов и будет зависеть выбор формы крыла. 

Я разобралась по какому основному признаку выбирают форму крыла, но теперь мне нужно узнать, а как появились разновидности крыльев? Есть ли оптимальная форма крыла, которая подойдет для всех критериев или каждому самолету – отдельный вид? Итак, начинаем исследовать.

На протяжении веков птицы были бесспорными хозяевами неба, легко и грациозно паря в воздухе. Благодаря их мастерству в искусстве полёта инженеры и конструкторы обратились к природе за помощью в создании современных самолётов.

В основе авиации лежит аэродинамическая подъёмная сила, позволяющая преодолевать силу тяжести во время полёта. Таким образом, птицы добиваются этого за счёт тщательного управления воздушным потоком над своими крыльями. Эта концепция десятилетиями использовалась при проектировании крыльев самолётов.

Тогда следует полагать, что разновидности форм крыльев – дело биомимеческого подхода. Чтобы быть более уверенной в своих предположениях, я приведу пример формы крыльев у птиц и у самолетов, а после сравню какую-то одну определенную форму.

4.2. Типы крыльев у птиц  

Птицы обладают уникальной способностью летать благодаря полым костям, асимметричной форме крыльев и кератиновой структуре перьев. Форма крыльев различается у разных видов птиц в зависимости от их потребностей и манеры полёта.

Обсуждаются четыре типа крыльев: эллиптические, для длительного парения, для быстрого полёта и для подъёма и длительного парения.

Эллиптические крылья.

Они встречаются у лесных птиц, таких как синицы и воробьи. Имеют эллиптическую форму с широкими промежутками между маховыми перьями. Позволяют легко подниматься и опускаться, совершать точные манёвры, но требуют частого махания для компенсации широких промежутков. Преимущества эллиптических крыльев: позволяют птицам быстро снижаться, набирать высоту и совершать резкие повороты, помогают скрываться от хищников и добывать пищу в труднодоступных местах.

Скоростные крылья.

Эти крылья встречаются у ласточек (рис.14), соколов, куликов и водорезов. Длинные кости и сужение к концу позволяют развивать высокую скорость без большого сопротивления воздуха. Эффективны для перелётных птиц, но усложняют удержание в воздухе на низкой скорости.

Рис. 14

Длинные крылья для парящего полёта.

Они встречаются у морских птиц, таких как чайки, олуши, буревестники и альбатросы. Позволяют преодолевать большие расстояния, затрачивая мало энергии. Птицы используют попутный ветер и парят в его потоках.

Широкие крылья с высоким аэродинамическим качеством.

Встречаются у хищных птиц, таких как ястребы, орлы, страусы и пеликаны. Широкие и не слишком длинные крылья позволяют легко парить в небе. Обеспечивают манёвренность при ловле быстро движущейся добычи и изменение направления движения в соответствии с воздушными потоками.

Значит каждая птица использует свои крылья для разных целей, извлекая преимущества из их особенностей. Эволюция идеально приспособила крылья птиц к окружающей среде.

4.3. Типы крыльев у самолётов  

Когда речь идёт о самолётах, конструкция крыльев играет решающую роль в обеспечении качества полёта. На конструкцию крыльев влияют различные факторы, в том числе тип самолёта, его назначение и желаемые эксплуатационные характеристики. Вот несколько распространённых конструкций крыльев и то, как они влияют на полёт:

Прямое Крыло.

Конструкция прямого крыла — это самый простой и распространённый тип крыла. Оно характеризуется прямой передней кромкой и прямой задней кромкой. Такая конструкция обеспечивает хорошую подъёмную силу на низких скоростях и делает самолёт более устойчивым. Однако она не очень эффективна на высоких скоростях и может создавать сопротивление.

Стреловидное крыло.

Стреловидное крыло (рис.15) используется в высокоскоростных самолётах, таких как истребители. Его передняя кромка отклонена назад. Такая конструкция снижает сопротивление воздуха и повышает скорость и манёвренность самолёта. Однако она также снижает устойчивость на низких скоростях.

Рис. 15

Треугольное крыло.

Дельтавидное крыло имеет треугольную форму. Оно широко используется в сверхзвуковых самолётах, таких как Concorde. Такая конструкция обеспечивает превосходную подъёмную силу и манёвренность на высоких скоростях. Однако на низких скоростях она может быть менее устойчивой и вызывать сопротивление воздуха.

Коническое крыло. 
Конструкция крыла с сужением предполагает постепенное уменьшение ширины крыла от основания к законцовке. Такая конструкция обеспечивает хорошую подъёмную силу и устойчивость на низких скоростях и повышает эффективность на высоких скоростях. Она широко используется в коммерческих самолётах.

Подводя итоги исследования, я узнала, что одним из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при проектировании крыла, является размер и форма крыла. Крылья большего размера, как правило, обеспечивают большую подъёмную силу и устойчивость, в то время как крылья меньшего размера могут быть более манёвренными и отзывчивыми. Форма крыла также может влиять на его характеристики: более изогнутые крылья обеспечивают большую подъёмную силу, а более плоские — большую скорость. Другим важным аспектом конструкции крыла является материал, из которого оно изготовлено. Различные материалы могут влиять на вес, прочность и характеристики вашего крыла. Например, крылья из углеродного волокна, как правило, легче и более отзывчивы, в то время как алюминиевые крылья могут быть более прочными. Понимание преимуществ и недостатков различных материалов поможет вам выбрать крыло, которое будет соответствовать вашим потребностям.

5. Биомиметика в современной авиации

Ярким примером является исследование «От  «Альбатроса» до Airbus: оптимизация конструкции крыла». Изучив форму и структуру крыльев птиц, инженеры смогли усовершенствовать конструкцию крыльев самолётов, чтобы максимально увеличить подъёмную силу и свести к минимуму лобовое сопротивление. В результате крылья стали не только более эффективными, но и более устойчивыми и манёвренными, что позволяет самолётам выполнять задачи с беспрецедентной точностью. Данный пример иллюстрирует как важно использование биомиметики. 

Рис. 16

Стоит сказать, что это не единственный пример, который я бы хотела рассмотреть. Есть еще две темы: «Навигация в воздухе: системы управления, вдохновлённые ловкостью птиц» и «Лёгкость и прочность: материалы, вдохновлённые анатомией птиц».

Я понимаю, что птицы не только умеют подниматься в воздух, но и обладают невероятной манёвренностью, с лёгкостью лавируя в воздухе. В итоге наблюдение за их движениями привело к созданию передовых систем управления, способствующих точной навигации самолётов.

Помимо аэродинамических свойств, птицы обладают лёгкими, но удивительно прочными костями. Эта особенность вдохновила учёных на разработку современных материалов, используемых в авиастроении. Имитируя строение птиц, инженеры создают более лёгкие и экономичные самолёты.

Наука и инженерия постоянно обращаются к природе, чтобы усовершенствовать новые или уже существующие технологии. 

Рис. 17

Исследование крыла чайки ( 2020-е)  

Исследователи из Университета Британской Колумбии обратились за инновационными идеями к другому животному — чайке. Эти птицы, наиболее распространённые в Северном полушарии, обладают впечатляющей техникой полёта, которую можно использовать для улучшения конструкции летательных аппаратов.

Рис. 18

Как заметила исследовательская группа Университета Британской Колумбии, одним движением локтя чайка может изменить форму своего крыла, чтобы приспособиться к различным порывам ветра. Исследователи считают, что это простой механизм, который можно воспроизвести в самолётах.

Изменяя угол наклона локтевого сустава, чайки могут переходить от положения с вытянутыми крыльями к положению с опущенными крыльями, то есть подтягивать крылья ближе к телу и отводить их назад. Этот простой маневр позволяет птице лучше контролировать ситуацию в условиях сильного ветра.
Это открытие вызвало большой интерес в сообществе UBC из-за возможности его практического применения.

Рис.19

Опубликовано в Journal of the Royal Society Interface, «Хотя мы знаем, что птицы часто меняют форму своих крыльев, это первое эмпирическое доказательство того, как изменение формы крыльев влияет на устойчивость птиц», — говорит зоолог из Университета Британской Колумбии Дуглас Альтшулер, старший автор статьи

Он продолжает, заявляя «И в данном случае конструкция крыла чайки (рис. 19) указывает на новое и довольно простое соединение, вдохновлённое птицами, которое может позволить самолётам динамически подстраиваться под сложные условия».

«Птицам недостаточно просто создавать достаточную подъёмную силу и тягу. Они также должны контролировать и стабилизировать траекторию полёта, чтобы успешно добывать пищу и мигрировать в естественной среде обитания», говорит исследовательница Кристина Харви.

Их открытие может помочь самолётам справляться с атмосферной турбулентностью. Тем не менее команда усердно работает над дальнейшим исследованием, наблюдая за чайками в условиях различных ветровых возмущений.
Конструкция крыла имеет решающее значение в авиации, поскольку она влияет на лётные характеристики, эффективность и безопасность воздушного судна. Хорошо спроектированное крыло может увеличить подъёмную силу воздушного судна и уменьшить лобовое сопротивление, что повышает топливную экономичность и дальность полёта. Оно также может улучшить устойчивость и управляемость воздушного судна, облегчая полёт и снижая риск аварий.

В заключение можно сказать, что природа была нашим величайшим учителем и источником вдохновения. Благодаря тщательному наблюдению за изящным полётом птиц, мы получили бесценные знания о принципах аэродинамики, управления и материаловедения — всё это оказало огромное влияние на конструкцию современных самолётов. Таким образом, становится очевидным, что птицы являются движущей силой, вдохновляющей на инновации в области авиастроения. Вот как птицы влияют на конструкцию самолётов.

6. Заключение

Проведённое исследование подтвердило выдвинутую гипотезу: крыло птицы, обладающее уникальной способностью к изменению формы, активной адаптации к потоку воздуха и выполнению сложных маховых движений, действительно демонстрирует значительные аэродинамические преимущества в плане манёвренности, энергоэффективности и адаптивности к меняющимся условиям полёта. В отличие от него, крыло современного самолёта — это инженерное решение, оптимизированное для устойчивого, предсказуемого и экономичного полёта на заданных скоростях и высотах, но лишённое гибкости живой системы.

Анализ исторического пути авиации показал, насколько глубоко идеи, заимствованные у природы, пронизывают саму суть аэродинамической мысли. От Леонардо да Винчи до братьев Райт, от Отто Лилиенталя до современных разработчиков дронов — учёные и инженеры неоднократно обращались к птицам как к первым «мастерам неба». И хотя технические ограничения XX века заставили человечество выбрать путь жёстких, фиксированных конструкций, сегодня, в эпоху умных материалов, микроприводов и биомиметики, интерес к «живому» крылу вновь набирает силу.

Сравнительный анализ, проведённый в рамках данной работы, выявил ключевые различия: если самолётное крыло — это компромисс между прочностью, лобовым сопротивлением и подъёмной силой, то птичье крыло — это динамическая, самоорганизующаяся система, способная в реальном времени перераспределять нагрузки, менять площадь и изгиб, использовать вихревые структуры для дополнительной тяги и даже «чувствовать» воздушный поток через специализированные рецепторы. Такая биологическая сложность пока недостижима в технике, но именно она указывает направление будущего развития авиации.
Для наглядного представления сравнительного анализа конструкций крыла птицы и самолёта мной составлена таблица.

Таким образом, природа остаётся не просто источником вдохновения, но и своеобразным эталоном эффективности, к которому стремится инженерная мысль. Возможно, в недалёком будущем мы увидим летательные аппараты, сочетающие надёжность технических решений с гибкостью и адаптивностью живых существ — гибриды, рождённые на стыке биологии и аэродинамики. А пока что наша работа подчёркивает одну важную истину: чтобы покорить небо, человеку пришлось не только изобрести машину, но и научиться смотреть на мир глазами птицы.

7. Литература

1. Прандтль, Л. Гидроаэромеханика / Л. Прандтль. — М.: Либроком, 2011. — 304 с.
2. Тейлор, Г. Биомеханика полёта птиц / Г. Тейлор, А. Томас // Журнал экспериментальной биологии. — 2003. — Т. 206, № 3. — С. 109–123.
3. ГОСТ 7.0.5–2008. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическая ссылка. Общие требования и правила составления. — Введ. 2009-07-01. — М.: Стандартинформ, 2008. — 32 с.
4. Жуковский Н. Е. Теоретические основы воздухоплавания. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1950. — 320 с.
5. Циолковский К. Э. Аэродинамика. — Калуга: Изд-во АН СССР, 1950. — 240 с.
6. Лиллиенталь О. Полёт птиц как основа искусства летать / пер. с нем. — М.: Воениздат, 1936. — 184 с.
7. Можайский А. Ф. Отчёт о постройке и испытании самолёта // Труды Воздухоплавательного отделения Русского технического общества. — 1885. — № 2. — С. 15–28.
8. Да Винчи Л. Трактат о полёте птиц / пер. с итал. — М.: Искусство, 1952. — 96 с.
9. Кулагин В. П. Основы аэродинамики и динамики полёта. — М.: Машиностроение, 1983. — 416 с.
10. Белоцерковский С. М., Ништ М. И. Турбулентное отрывное обтекание тел. — М.: Наука, 1978. — 320 с.
11. Васильев А. А. Биомиметика в авиации: от орнитоптеров к морфинг-крыльям // Успехи современной радиоэлектроники. — 2015. — № 10. — С. 5–18.
12. Голубев В. В. Лекции по теории крыла. — М.: Оборонгиз, 1950. — 280 с.
13. Иванов А. П., Петров В. С. Вычислительная аэродинамика: учебное пособие. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. — 312 с.
14. Карпов В. Н. Аэродинамика беспилотных летательных аппаратов. — М.: Физматлит, 2012. — 256 с.
15. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.: Дрофа, 2003. — 840 с.
16. Мартынов А. К. Биомеханика полёта птиц. — М.: Наука, 1978. — 208 с.
17. Нестеров А. И. История авиации России. — М.: Авиация и космонавтика, 2005. — 448 с.
18. Петров Г. Н. Аэродинамические характеристики профилей. — М.: Машиностроение, 1980. — 224 с.
19. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. — М.: Наука, 1987. — 448 с.
20. Тимошенко С. П. История науки о сопротивлении материалов. — М.: Физматгиз, 1962. — 320 с.
21. Федоров В. А. Применение CFD-моделирования в проектировании летательных аппаратов // Вестник Московского авиационного института. — 2018. — Т. 25, № 3. — С. 45–52.
22. Харви К., Альтшулер Д. Адаптивные механизмы управления крылом у чаек и их применение в авиации // Journal of the Royal Society Interface. — 2021. — Vol. 18, № 176. — P. 20210012.
23. Шевелёв Ю. Д. Теория струй идеальной жидкости. — М.: Физматгиз, 1963. — 288 с.
24. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1976. — 592 с.
25. Бабинцев В. А. Эволюция конструкций крыльев самолётов. — М.: Транспорт, 1990. — 192 с.
26. Гордиенко В. Н. Морфинг-структуры в авиации: состояние и перспективы // Авиационная промышленность. — 2020. — № 4. — С. 33–40.
27. Airbus AlbatrossOne: A Bio-inspired Flight Demonstrator [Электронный ресурс] // YouTube. – URL: https://www.youtube.com/watch?v=QfFkZ3VvGdA (дата обращения: 23.01.2026).
28. Festo – SmartBird: Technical Bionics Project [Электронный ресурс] // YouTube. – URL: https://www.youtube.com/watch?v=NHXp4YrKq6M (дата обращения: 23.01.2026).