Mistrzowie szybowania

Emerytura wcale nie musi oznaczać końca kariery dla naukowca. Dowodzi tego przypadek dr. Phila Richardsona, który przez 26 lat pracował jako oceanograf w amerykańskim Woods Hole Oceanographic Institution. Podczas rejsów badawczych lubił przyglądać się potężnym albatrosom, unoszącym się bez wysiłku nad morskimi falami.

„Te ptaki często szybują od kilkunastu dni do kilkunastu tygodni bez przerwy. Badania z użyciem GPS dowodzą, że potrafią tak latać dookoła świata” – opowiada „Focusowi” dr Richardson. Jako naukowiec zajmował się jednak badaniem prądów oceanicznych, a obserwacja albatrosów była dla niego jedynie relaksem. Dopiero gdy w 2000 r. przeszedł na emeryturę, mógł skupić się na locie morskich ptaków. Wtedy przydało się zarówno jego doświadczenie jako fizyka, jak i zdobyte wcześniej wykształcenie w dziedzi- nie inżynierii lądowej. Łącząc te dziedziny, opracował maszyny latające prawie bez zu- żywania baterii czy paliwa.

Od komina do komina

Ludzie od wieków podziwiali ptaki za ich umiejętność lotu. Wydawało im się, że zwierzęta te prawie nic nie ważą, a w powietrzu unoszą się bez trudu. Tymczasem latanie to ogromny wysiłek. Foki czy ryby mogą zawisnąć w wodzie, latające stworzenia nie mają na to szans. Cały czas wokół ich skrzydeł musi przepływać powietrze wytwarzające siłę nośną, która przeciwdziała grawitacji. Jednocześnie powinien działać napęd, który przezwycięża siłę tar- cia powietrza o ciało – inaczej lotnik za- cząłby tracić wysokość. Taka praca wymaga potężnych mięśni. Aby je umocować, ptaki musiały wykształcić dodatkową strukturę na szkielecie – tzw. grzebień umiejscowiony na mostku.

Czytaj także: MĄDRY JAK KURA

Ale i tego było za mało. Duże ptaki nie są w stanie dostarczyć tyle tlenu swoim mięśniom, by bez przerwy machać skrzydłami. 

Zdobywają się na to jedynie przy starcie, lądowaniu oraz w krótkich momentach pod- czas lotu. Większość czasu korzystają z energii, którą czerpią z prądów powietrznych. Nazywa się to szybowaniem. „Im większy ptak, tym częściej szybuje. Wśród występujących w Polsce gatunków taką strategię przyjmują duże drapieżniki – jak orły i myszołowy – oraz choćby bociany. Owszem, potrafią latać aktywnie, ale szybko się tym męczą” – mówi dr Jarosław Nowakowski z Uniwersytetu Gdańskiego.

Zazwyczaj czekają na ładną pogodę. Słońce nagrzewa wówczas ziemię nierównomiernie. Duża ciemna skała ociepla się szybciej niż otaczające ją łany traw. Od niej zaś nagrzewa się powietrze, które w efekcie, jako cieplejsze, staje się też rzadsze i lżejsze. Unosi się wówczas w postaci kolumny zwa- nej kominem termalnym. Jego średnica za- zwyczaj nie przekracza paru metrów. I tego właśnie szukają ptasi szybownicy. Kiedy tylko znajdą się nad takim kominem, wy- starczy, że dopilnują, by krążyć wewnątrz kolumny ciepłego powietrza, a ono samo uniesie je wysoko. „Są kominy termalne, które pozwalają ptakom wspiąć się na kil- ka tysięcy metrów. Wtedy opuszczają się na dół lotem ślizgowym. Potrafią w ten sposób przelecieć do 50 km za jednym zamachem. Potem muszą szukać nowego komina termalnego” – wyjaśnia dr Nowakowski.

Jerzyk jest jednym z najlepszych lotników w ptasim świecie. Należy do niego rekord prędkości osiąganej dzięki sile własnych skrzydeł, wynoszący aż 111,6 km/godz.! Szybsze bywa ją tylko sokoły w locie nurkowym

Tu podmuch, tam wietrzyk

Prof. Chris McGowan w książce „Diatoms to Dinosaurs” pisze, że nie zawsze ptasi szybownicy ślizgają się tak między kominem a kominem. Czasem kolumna ciepłego powietrza nachyla się i przesuwa nad ziemią. Tworzy wówczas „termalną ulicę”, wewnątrz której szybownik może przemieszczać się na duże odległości. Zdarza się nawet, że ciepłe powietrze odrywa się od ziemi w postaci ogromnej bańki, której średnica dochodzi do 2 km. Jeśli tylko ptak pozostanie w jej środku,

może właściwie szybować w dowolną stronę i bez przerwy utrzymywać znaczną wysokość. Choć szybownicy są zazwyczaj dużymi ptakami, mistrz tej sztuki w Polsce ma nie- wielkie rozmiary. Długość jego ciała dochodzi do 18 cm, a rozpiętość skrzydeł do 45 cm. To pospolity w miastach jerzyk, wyglądem przypominający dużą jaskółkę. „Potrafi przez 20 minut lotu ani razu nie machnąć skrzy- dłami. Wygląda, jakby w powietrzu utrzymywała go jakaś magiczna siła. Do szybowania nie używa prądów termalnych, lecz aktywnie wyłapuje jakieś drobne wietrzyki, podmuchy. W powietrzu jest ich mnóstwo i jerzyk umie to wykorzystać” – opowiada dr Nowakowski. Zespół szwajcarskich naukowców, kiero- wany przez dr. Felixa Liechti ze Schweizerische Vogelwarte (Szwajcarskiego Instytutu Ornitologicznego), postanowił sprawdzić, jak długo jerzyki potrafią utrzymać się w powietrzu.

Do badań wybrano gatunek pospolity w Szwajcarii – jerzyka alpejskiego. Jest on nieco większy od naszego, dzięki czemu łatwiej było przymocować do niego urządzenia, które zbierały dane o podniebnych wędrówkach. Sześć zaopatrzonych w ten sposób osobników wypuszczono na wolność w sierpniu 2011 r. We wrześniu odleciały na zimowisko do Afryki. W kwietniu 2012 r., po powrocie ptaków z ciepłych krajów, naukowcom udało się odłowić trzy z nich i odtworzyć informacje zebrane przez urządzenia. W ten sposób stwierdzili, że jerzyki prawdo- podobnie przez ponad pół roku w ogóle nie siadały na ziemi! Jeśli już im się to zdarzało, to najwyżej na bardzo krótką chwilę, czego urządzenia nie mogłyby zarejestrować. To zaś oznaczało, że przez 200 dni jerzyki żyły, spały i jadły w powietrzu. „Wydaje się, że na zimowiskach sporo szybują nocą. Wtedy wykazują ograniczoną aktywność. Ale na długich dystansach dużo machają skrzydłami. Szybowanie służy im raczej do utrzymywania się w powietrzu niż przemieszczania na odległość” – wyjaśnia „Focusowi” dr Liechti.

Z fali na wiatr i z powrotem

Inną taktykę stosuje światowy arcymistrz aktywnego szybowania – albatros. I tu wracamy do dr. Phila Richardsona i badań, które rozpoczął po przejściu na emeryturę. Początkowo, tak jak inni badacze ptasiego lotu, sądził, iż kluczem do unoszenia się jest wiatr, który wzbija się na grzbietach morskich fal. Tyle że – jak po pewnym czasie spostrzegł dr Richardson – albatrosy wydawały się nimi nie przejmować. Mogły szybować właściwie w dowolnym kierunku – nawet pod wiatr. W 2011 r. dr Richardson opublikował więc nową teorię tłumaczącą zagadkę szybowania albatrosów. Oparł się w niej na odkryciu Lorda Rayleigha z 1883 r. 

Ten wybitny brytyjski fizyk zauważył, że poziome wiatry nie wieją równomiernie. Bardzo często ich prędkość wzrasta stopniowo wraz z wysokością nad ziemią. Rayleigh uznał, że istnieje granica, powyżej której prędkość wiatru rośnie skokowo.

Dr Richardson stwierdził, że coś podobnego da się zauważyć nad oceanem. Tuż nad powierzchnią wody wiatr prawie nie wieje, bo blokują go fale. Natomiast nad ich grzbietami układa się w warstwy. W najniższych prędkość wiatru jest hamowana przez tarcie o powierzchnię wody. Powyżej zaś, gdzie nic nie przeszkadza w rozpędzaniu się powietrza, gwałtownie przyśpiesza. I z tego właśnie korzysta albatros. Kiedy wznosi się z doliny między falami, natrafia na szybkie podmuchy wiatru. Ten zastrzyk energii wykorzystuje, by wspiąć się na wysokość 10–15 metrów. Wtedy robi pętlę i znowu zlatuje w dolinę fal. Każdy taki cykl zajmuje mu ok. 10 sekund. Kiedy albatros jest na górze, może polecieć właściwie w dowolnym kierunku. Czasem spada w tę samą dolinkę, czasem w inną. Jeśli chce lecieć pod wiatr, stosuje dokładnie taką samą taktykę jak żeglarze – halsuje. Najpierw szybuje pod kątem 45 stopni do kierunku, skąd wieje, w lewo, a następnie – w prawo.

Bezzałogowe samoloty wzorowane na albatrosach mogłyby już wkrótce patrolować tereny morskie, pomagając naukowcom czy służbom ratowniczym, a przy tym prawie w ogóle nie szkodząc środowisku 

Zawsze jednak albatrosy całą energię do lotu uzyskują ze środowiska – nie machają skrzydłami, lecz jedynie delikatnie nimi steru- ją. „Mogą tak szybować, kiedy jest wiatr albo gdy nie ma wiatru, ale są duże fale” – mówi dr Richardson. Tylko w chwilach, gdy wiatr cichnie i morze staje się gładkie, albatrosy nie potrafią latać swoim sposobem. Siadają wówczas na powierzchni oceanu i czekają na bardziej sprzyjające warunki.

Polecieć jak albatros

Albatrosy zainspirowały badacza do opracowania projektu bezzałogowego samolotu. W 2012 r. dr Richardson przedstawił jego szczegółowy opis. Twierdzi, że jego maszyna może być nawet bardziej efektywna niż albatros. Wielkie morskie ptaki osiągają bowiem prędkość do 60 km/godz. W teorii mogłyby być jeszcze szybsze, ale wówczas powstawałyby obciążenia, które uszkodziły- by im skrzydła. Takich ograniczeń nie mają bezzałogowe samoloty. Ich skrzydła są zbudowane z mocnych materiałów i mogłyby, wykorzystując dynamiczne szybowanie, latać nad oceanami 10 razy szybciej niż wiatr. To zaś oznacza, że bez trudu osiągałyby prędkość ponad 300 km/godz.! I nie musiałyby w tym czasie korzystać z silnika ani baterii. Całą energię czerpałyby jak albatrosy – z wiatru. „Takie maszyny mogłyby być używane do obserwacji oceanów, poszukiwania i ratowania rozbitków, monitorowania zanieczyszczeń takich jak plamy ropy naftowej, mierzenia temperatury powierzchni wody, jej składu chemicznego, prędkości…” – wylicza dr Richardson.

Pozostaje tylko jeden problem. Gdy wiatr cichnie, albatros sobie poradzi. Bezzałogowy samolot musiałby mieć niewielką baterię i silnik, który włączałby się w takiej sytuacji (a także podczas startu z lądu albo pokładu statku). Albatros pozostaje więc nadal mistrzem, któremu nasza technologia nie po- trafi dorównać. 

DLA GŁODNYCH WIEDZY

• O wynikach badań dr. Phila Richardsona nad lotem albatrosów można poczytać w ma- gazynie „Oceanus” – www.whoi.edu/ oceanus/
• Ciekawa książka m.in. o mechanice latania – „Diatoms to Dinosaurs. The Size and Scale of Living Things”, Chris McGowan (Is- land Press 1994)
• Szwajcarskie badania wędrówek jerzyków – http://bit.ly/jerzyki