Живые генераторы электричества

Однажды в качестве эксперимента биологи поместили голубя в аэродинамическую трубу и стали обдувать его потоком воздуха. Одновременно они замеряли напряженность электрического поля вблизи его оперения. И тут выяснилось, что она достигла нескольких тысяч вольт на сантиметр! Дальнейшие опыты и компьютерные расчеты показали, что и стая птиц, летящая на большой высоте, также находится под потенциалом более чем 6 тысяч вольт.

Лебедь
Почти все птицы, крылатые насекомые, пушные звери, рыбы и прочие животные окутаны электрическим полем точно коконом. Этим хорошо пользуются хищники, которые улавливают эти поля - и таким образом находят добычу.

Поворот за 5 миллисекунд

Такие эксперименты были призваны выяснить, как птичьи стаи ориентируются в пространстве. Ведь долгое время оставалось загадкой, как многие тысячи птиц способны одновременно принять, а затем в кратчайшее время, всего лишь за 5 миллисекунд, выполнить сложный полетный маневр - например, одновременный поворот стаи на 90 или даже на 180 градусов. При этом слаженности их действий, слетанности может позавидовать даже эскадрилья асов воздушного пилотажа. Ведь в такой ситуации передача визуального сигнала от вожака к каждому члену сообщества полностью исключена, а звуковое послание в невероятном птичьем гаме просто-напросто не может быть услышано. Но если даже допустить невозможное, что команда каким-то невероятным образом достигнет адресатов, все равно остается одна существенная неувязка. А именно: согласно расчетам, передача звукового сигнала по воздуху требует времени существенно большего, чем 5 миллисекунд.

Остается предположить, что стая, маневрирующая в полете, управляется сигналами электрической природы. Только они, распространяясь со скоростью света, могут достигнуть всех птиц практически одновременно, независимо от их положения в стае.

Вот так и было установлено, что, соприкасаясь с воздушным потоком, оперение птицы заряжается электричеством. Удалось измерить и скорость этого процесса - примерно 10-9 ампер в секунду. Но понадобилось еще некоторое время, чтобы специалисты смогли привыкнуть к этой мысли.

Летающие динамо

Натурные эксперименты и последующее численное моделирование с помощью компьютера показали, что на границе оперения птицы с воздушным потоком образуется двойной электрический слой заряженных частиц. При каждом взмахе крыла с концов перьев срываются вихри. Так как эти вихри зарождаются и формируются в двойном электрическом слое, то ими уносится часть заряда. Так возникает электрический ток, выравнивающий потенциалы, разделенные пространством. И получается, что крыло птицы работает как динамо-машина.

Проведенные расчеты позволили вычислить электрические параметры «летающих динамо». Оказалось, что они генерируют поля напряженностью более 1000 вольт на сантиметр. Как и предполагалось, эти поля сильно зависят от размеров птиц и частоты взмахов крыльев, от скорости воздушного потока и от влажности воздуха.

Теперь зададимся вопросом, вокруг которого было больше всего сломано копий: зачем столь экономичной в своих проявлениях природе вдруг понадобилось подобное расточительство энергии? Ведь крутить динамо такой мощности - это все равно, что использовать гидроэлектростанцию для снабжения лампочки карманного фонарика.

Оказывается, оборотной стороной безудержного транжирства птицами электрической энергии является огромная экономия ими энергии тепловой, которая, кстати, наиболее ценна для животных. Мощные электрические поля создают оптимальные условия теплообмена в слое пуха. Подобный механизм работает и в «системе обогрева» пушных млекопитающих.

Суть его в том, что, как уже говорилось, верхнее оперение птиц при трении о воздух заряжается положительным электричеством. В свою очередь расположенные ближе к телу птицы пушинки приобретают отрицательный заряд. Будучи одноименно заряженными, они отталкиваются друг от друга, стремясь как можно равномернее заполнить все отведенное им место, и тем самым полностью перекрывают доступ холодного воздуха к телу животного. Мало того: тепловой эффект многократно усиливается благодаря тому, что верхний перьевой покров, притягиваясь, весьма плотно прилегает к разреженному подшерстку птицы, поскольку они заряжены разноименным электричеством. Образуется словно бы термос. И получается, что и здесь природа, как всегда, оказывается на высоте. Более рациональную теплоизоляционную конструкцию трудно, пожалуй, придумать.

Из этого становится понятным, почему принявшая «водяную баню», то есть полностью «разрядившаяся» птица, даже обсохнув на солнышке, прежде чем взлететь, не жалея времени, занимается своим туалетом. Тщательно, поодиночке, она обрабатывает клювом маховые перья, и тем самым «вручную» подзаряжает всю себя до необходимого потенциала. А электрометрические измерения показали, что эффективность «наземного динамо» примерно в десять раз меньше, чем у «динамо летающего».

Куда ни кинь - всюду клин

Теперь стоит прояснить такой вопрос: почему одни стаи современных представителей отряда пернатых летят караваном, другие - клином с острым углом, а третьи - с углом тупым? Оказывается, каждому виду птиц свойственна своя «геометрия» стаи. И с тех пор как физики совместно с орнитологами увидели стаю на экране осциллографа, они стали склоняться к мысли, что достоверную гипотезу птичьего полета можно построить только с учетом фактора электростатической зарядки летящих крылатых.

Какие же силы действуют в воздушном пространстве стаи? Здесь стоит отметить одно обстоятельство. Пернатые стремятся придерживаться такого порядка в строю: вторая птица летит вслед за первой, но, однако, немного сместившись в сторону. Третья летит чуть в стороне от второй, и так далее. И поскольку натурные электрометрические измерения в летящей стае проводить весьма затруднительно, специалисты, прибегнув к помощи компьютера, построили такую модель.

Оказалось, что наибольших значений напряженность электрического поля в теле птицы достигает в области ее клюва, хвоста и крыльев. Сильное электрическое взаимодействие соседей по стае приводит к тому, что хвост впереди летящей особи индуцирует электрический заряд на голову птицы, летящей следом.

Таким образом, помимо ярко выраженного динамо-эффекта все птицы стаи, находящиеся в полетном строю, также воздействуют друг на друга подобно заряженным диполям! Разумеется, учесть все виды взаимодействия птиц друг на друга очень сложно. Но анализ даже самой упрощенной электрической модели стаи показывает, что в зависимости от расстояния между «летающими динамо» (они же «по совместительству» - летающие диполи) существует оптимальная, энергетически на и вы годнейшая дистанция полетного строя. При уменьшении ее начинает сказываться отрицательное, тормозящее действие динамо-эффекта, а при увеличении - наоборот, ослабевает влияние энергетически выгодного эффекта летающих диполей. Отсюда вывод: перелетным птицам, чтобы уметь держать свое место в строю, надо уметь подсознательно решать... задачи в области электростатики!

Длинношеее существо

Исходя из сказанного выше, можно утверждать, что для сохранения полетного строя пернатым нужна не столько светлая голова, сколько... длинная шея. Ведь известно, что собираться в полет такими, как говорят биологи, формациями особенно стремятся лебеди, гуси, журавли и другие представители длинношеих птиц. Не связано ли это с тем, что голова птицы, вынесенная далеко вперед на длинной шее, может принимать сигналы без помех, которые создаются ее собственным заряженным корпусом? И наблюдения, подкрепленные расчетами, подтверждают, что особи с длинной шеей чувствуют крылом друг друга гораздо лучше своих короткошеих собратьев.

Образно говоря, согласованно движущаяся стая птиц как бы несет в своих клювах сеть, сплетенную из силовых линий электрического поля. Контакт с сетью пернатые осуществляют через свои рецепторы, которые расположены в клюве. Если строй соблюдается строго, сеть оказывается не натянутой, и напряжение в ее ячейках отсутствует. Но при попытке одной из птиц покинуть строй сеть деформируется, и в ее ячейках возникают силы, стремящиеся вернуть «выскочку» на место.

Совсем недавно специалистам удалось получить математическую формулу полетного строя птиц. Воспользовавшись ею, биологи смогли ответить на давно волновавший их вопрос: почему разные птицы, но одного, так сказать, типоразмера держат одинаковый строй? Оказалось, что его геометрия не зависит от абсолютных величин зарядов на оперении, а определяется длиной тела особи, размахом крыльев и расстоянием от клюва до корня крыла.

Прибегнув к графику, теперь стало возможным решить вековую, в полном смысле этого слова, задачу природы: почему гуси или лебеди предпочитают лететь клином, у которого угол острый, а чайки обыкновенные или ржанки золотистые предпочитают клин с углом тупым? Правильный ответ: угол клина тем больше, чем больше отношение размера крыльев птицы к длине ее шеи.

Теперь, зная основные закономерности в организации птичьих стай, можно попытаться вычислить конфигурацию строя для всех когда-либо летавших созданий, в том числе и тех, которые парили в небе палеозоя, - летающих птерозавров или даже археоптериксов.