Поведение колибри в воздухе сложнее, чем считалось

Загадки поведения колибри в воздухе во многом сложнее даже такой краеугольной проблемы бытия, как гипотетический полёт птерозавра. И дело не только в том, что самые маленькие птицы умудряются безостановочно порхать по 16 часов в сутки при массе от 2 до 20 г, но и в качестве самого полёта.
Обыкновенный архилохус массой 2–6 г способен без посадки (и подпитки, ибо над морем) преодолеть 800 км, расходуя не слишком большую часть своего веса. Ни о чём подобном не может мечтать ни один аппарат сходных размеров, сделанный человеческими руками. Кроме того, при внешней «орнитоптерно-самолётной» аэродинамике колибри могут зависать над целью — как вертолёт — и даже летать вверх ногами (короткое время), назад и вбок (сколь угодно долго), одновременно вращаясь вокруг собственной оси. Вот, посмотрите:

Современные сверхманёвренные истребители резко отстают от них по этим параметрам, да и конвертопланы весьма далеки от подобных талантов. И вместе с тем те же самые птички летают со скоростью 400 собственных корпусов в секунду (до 100 км/ч). Это (в единицах собственной длины) больше того, что выдаёт реактивный истребитель на форсаже или шаттл при спуске из космоса на входе в атмосферу.

Примечательно, что эти птички способны зависать на месте при разном положении хвоста: и тогда, когда он смотрит почти вниз, и когда почти перпендикулярен земле, как при обычном полёте. (Здесь и ниже фото Wikimedia Commons.)

Естественно, всё это занимает учёных. В 2005 году попытки понять, как колибри зависает на месте, не имея, кажется, к этому никаких аэродинамических предпосылок, привели к очень важному выводу: крылья птички при зависании действуют на манер вертолётного винта, создавая вихрь, поддерживающий пернатое в воздухе. Кроме того, при каждом ходе крыла вперёд-назад оно меняло свою конфигурацию на «перевёрнутую», создавая подъёмную силу при движении как вперёд, так и назад (видео выше с 3:30). Чтобы выяснить всё это, исследователи использовали облачко окрашенных частиц, которые подбрасывались в воздухе рядом с колибри, и затем следили, какую форму они примут рядом с парящим летуном. Сходную методику некогда применяли для изучения обтекания воздухом отдельных элементов самолётов.

Увы, тогда эта технология не позволила прояснить ситуацию до конца. Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде (США), ведомые Дугласом Альтшулером (Douglas Altshuler), использовали слегка усовершенствованный её вариант: они снимали камерой, делающей по 1 000 кадров в секунду, как взмахи крыльев колибри (перегрузка до 10g) влияли на форму паров сухого льда (твёрдой углекислоты). Вот так и выяснилось, что при каждом взмахе под и над крыльями создаются два вихря, которые плавно перетекают друг в друга вокруг птицы:

А это с другого ракурса:

Теоретически два сливающихся вихря, закольцовывающиеся вокруг птицы, должны увеличивать её энергозатраты на полёт. Однако их объединение в поток, позволяющий колибри зависать на одном месте, даёт ей важнейшее преимущество: птичка может эффективнее маневрировать и в любой момент способна изменить положение тела. Именно такая манёвренность и позволяет колибри лететь назад (например, при снятии паука с паутины) и вбок (скажем, при конфликтах с пчёлами).

Именно такая манёвренность и позволяет колибри лететь назад  и вбок.

Сейчас исследователи планируют эксперименты с живыми колибри в аэродинамической трубе. Конечная цель работы (вы ведь догадались?) — создание дронов, в особенности микроБПЛА, с параметрами, близкими к природным прототипам, то есть с должной сверхманёвренностью, суперэкономичностью и весьма значительной скоростью. Такой дрон-разведчик (с габаритами колибри) стоит того, чтобы приложить к его созданию самые серьёзные усилия.