Článek napsal Pavel Čajka, šéfredaktor časopisu Poznavaika. Od roku 2013, od založení časopisu, se Pavel Čajka věnuje popularizaci vědy na Ukrajině a ve světě. Hlavním cílem časopisu i tohoto článku je vysvětlit složitá vědecká témata jednoduchým a přístupným jazykem
Proč a jak ptáci létají? Proč se někteří lidé mohou vznášet a jiní ne? Proč může hejno ptáků okamžitě a současně změnit směr letu? Lidstvo již dlouho přemýšlí o otázkách souvisejících s lety ptáků, netopýrů a hmyzu. Na mnohé z nich by dnes biologové mohli odpovědět, nebýt jedné okolnosti – kdyby vzduch nebyl průhledný. Dosud je při natáčení letu ptactva i vysokorychlostní kamerou extrémně obtížné vysledovat dokonalost letu z hlediska zákonů aerodynamiky.
Na co nepřišli, aby usnadnili hledání odpovědí na vznikající otázky! Americký výzkumník z University of Southern California Jeff Spedding tak začal při natáčení ptačích letů používat mýdlové bubliny naplněné heliem. Pokud je bublina dostatečně malá, řekněme o velikosti špendlíkové hlavičky, plyn uvnitř způsobí její pohyb nahoru. Tyto bubliny mohou naplnit poměrně velké nádoby. Na počátku osmdesátých let studoval Spedding let holubů. Nechal je proletět oblakem takových bublin vytvořeným ve velké prostorné místnosti a pak vysokorychlostní kamerou vyfotografoval stopu letu, kterou v tomto oblaku zanechali.
Natáčení ukázalo, že když holubi létají, vzduch víří úplně jinak, než by měl podle teorie aerodynamiky. Při střelbě by bylo možné použít kouř, ale bublinky helia se ukázaly být lepší; bylo snazší je následovat. Díky tomu dokázal Jeff Spedding poměrně přesně popsat, jak se pohybuje křídlo holubice.
Při analýze letu ptáků se výzkumníci tradičně spoléhali na teoretické zákony aerodynamiky odvozené pro letadla s pevnými křídly. Ale ukázalo se, že když byly přeneseny na činy živých bytostí, už nebyly pravdivé. Ptáci jsou složitější a pokročilejší než jakékoli moderní letadlo. Vědci s ptákem zacházejí jako s modelem letadla a zkoumají ho ve větrném tunelu. Vytvářejí také speciální robotická křídla. A to vše se děje s cílem zjistit, co pták dělá, když letí, a provést příslušná měření. Proč je to nutné? Pomáhat člověku zlepšit návrhy letadel, která navrhuje, a především vojenských letadel s vysokou manévrovatelností.
Let ptáků využívající svalovou energii je zázrak, který nepřestává udivovat lidi i dnes. Ke zvednutí člověka do vzduchu pomocí svalů totiž potřebujete křídla o rozměrech 42,7 metru. A jeho hrudník musí mít tloušťku 1,8 metru, aby se do něj vešly svaly dostatečně silné na to, aby produkovaly švihy.
Ptáci, stejně jako letadla, musí být lehcí, ale výkonní. Ptáci dnes mohou létat, protože jejich vnitřní orgány a kosti se vyvinuly tak, že jsou mnohem lehčí než u jejich plazích předků. Příkladem ultralehkého designu je oceánská fregata: s rozpětím křídel větším než dva metry její kostra váží necelých sto dvacet gramů – polovinu celkové hmotnosti peří.
Mimochodem, netopýři – vynikající letci – dostali v důsledku evoluce také superlehké kosti. Proto visí, odpočívají, hlavou dolů, prostě se nemohou postavit na nohy. Jejich kosti jsou příliš tenké, aby unesly váhu těla ve stoje. A ptačí lebky obecně připomínají spíše vaječné skořápky než ochranu brnění. Ptačí křídla, sestávající převážně z peří, jsou skutečně mistrovským dílem přírodního inženýrského umění: lehká a flexibilní, ale téměř nezničitelná.
Ptačí vztlak vzniká tak, že vzduch proudí rovnoměrně kolem zakřivené plochy křídla. A pohyb vpřed je způsoben máváním. Jsou to, co mátly řadu letových výzkumníků. Křídlo není jen veslo, se kterým pták „vesluje“ ve vzduchu, jak věřil Leonardo da Vinci. Někteří badatelé se domnívají, že se pták otáčí otáčením vnitřku křídla tak, aby na straně, kterou otáčí, vytvářel odpor, podobně jako u spánkového portu kánoe.
Odpor vzduchu zpomaluje let, ale někdy život nebo smrt ptáka závisí na jeho rychlosti. Americký biolog a pilot Ken Dial zjistil, že ptáci se často otáčejí sklopením křídel dolů, podobně jako se vychylují křidélka letadla. Dial pomocí rentgenového přístroje pozoroval let ptáků ve větrném tunelu, díky čemuž viděl pohyb kostry během letu i při ptačích nádechech a výdechech.
Při provádění různých manévrů musí ptáci koordinovat mnoho přesných pohybů, od ohybů a plné rotace křídla až po změny amplitudy úderů. V letu jim pomáhá centrální nervový systém, který ovládá svaly. Ale v mnoha ohledech jsou ptáci stále jako nejmodernější stíhací letoun, vysoce ovladatelní a řízeni počítačovým systémem, který umožňuje úpravy ve vysokých nadmořských výškách ve zlomcích sekund. Ptáci samozřejmě nemají počítač, ale mají velký mozeček, a jak známo, právě ten se podílí na koordinaci pohybů zvířat.
Švédský zoolog a veterinář Richard Brown také ví hodně o letu ptáků. Jsou-li na střeše kabiny kluzáku připevněny krátké nitě, pak při běžném klouzání klidně „letí“ vzad, ale jakmile kluzák začne ztrácet rychlost, vzdušné víry zvednou nitě nahoru a mohou je dokonce nasměrovat dopředu – a druh varování před nebezpečím. Podobně, řekl Brown, tisíce peří, která pokrývají ptačí křídla a tělo, by mohly fungovat jako senzory proudu vzduchu. Díky nervovým zakončením pták okamžitě cítí pohyb peří. Svaly, na kterých se peří nachází, působí především jako pasivní senzory informací pro nervový systém a v menší míře jako hybatele. Citlivé prvky na křídlech určují nástup turbulence (vírový pohyb s aktivním promícháváním vrstev vzduchu) v proudění, což nutí ptáka změnit rychlost pohybu křídel nebo je mírně snížit.
Pro ptáky jsou také velmi důležité akrobatické schopnosti. Například vlaštovky, které tráví ve vzduchu až osm hodin denně, neustále stoupají vysoko k obloze a spěchají dolů za hmyzem. Ale červenky jsou ve vzduchu během dne jen několik minut a provádějí krátké lety, které obvykle trvají několik sekund. Většina jejich létání zahrnuje vzlety a přistání, což jsou nejúnavnější části jakéhokoli letu. Proto se mnoho velkých ptáků snaží dělat je co nejméně. Supi, sokoli, albatros a další velcí ptáci tráví téměř všechen čas prudkým letem na vzdušných proudech s roztaženými a téměř nehybnými křídly.
Aby byl let efektivnější, ptáci dovedně využívají charakteristické vlastnosti svého peří. Například supi při pomalém letu v kruhu, aby neztratili výšku, narovnávají dlouhá, tuhá pírka na koncích křídel a vějířovitě je rozevírají tak, aby se mezi nimi vytvořily mezery, které brání promíchání vzduchu v proudu za ptákem. Výsledkem je snížení odporu a zvýšení zdvihu.
Sokol si naopak při snášení na kořist uspořádá peří tak, aby zmenšil jejich povrch. Potřebuje rychlost, ne zdvih. Není snadné vykreslit vzor letu ptáka potápějícího se rychlostí 320 mph a rychlost ponoru je obvykle přibližná. Odborníci ale doufají, že jednoho dne budou schopni odvodit vzorec pro sestavení letového diagramu, který lze aplikovat na ptáky všech velikostí a tvarů.
Jak hmyz létá? Malé vosy a brouci jako by například ve vzduchu vesli křídly, jejichž odpor jim jen pomáhá. Cítí vzduch jako něco viskózního, jako sirup. Nepotřebují velký zdvih, a kdyby se náhle přestaly pohybovat, spadly by na zem rychleji než koule prachu. “Plavají” vzduchem a pomocí křídel pokrytých vlasy vytvářejí větší odpor. Když se křídlo vrátí zpět, klky se okamžitě složí. Něco podobného se děje, jak klesá odpor vesla po vytažení z vody. Mimochodem, pro velký hmyz je obtížnější létat.
Anglický zoolog Charles Ellington z University of Cambridge, který se o čmeláky zajímá, v jedné ze svých prací napsal, že podle zákonů aerodynamiky by čmeláci neměli létat. Ale oni létají! Křídla čmeláků a jiného velkého hmyzu vytvářejí vztlakovou sílu mnohem větší, než určuje teorie aerodynamiky. Jak to dělají? Nyní se zdá, že tato otázka byla zodpovězena. Stalo se tak při studiu letu velkých floridských jestřábníků (můr), s rozpětím křídel větším než deset centimetrů. Když takový jestřábí můra prolétne kouřem, který mu mimochodem vůbec nevadí, je vidět, jak vzduch víří od jeho těla ke koncům křídel místo toho, aby podle teorie aerodynamiky plynule proudil kolem křídel ve směru od jejich náběžné hrany k odtokové. Byl postaven velký mechanický model jestřába (z látky a mědi) s pohyblivými křídly. A robot jestřábí můra také vytvořila víry nasměrované různými směry.
Dnes už jsou biologové blízko k vyřešení záhad: jak hmyz a malí ptáci vytvářejí tak velkou vztlakovou sílu s malou zásobou energie, jak a proč létají.
Člověk ptákům vždy záviděl. Proč, oni létají, ale on nemůže! Hnací silou vývoje ptačích letadel je hledání potravy. A co nelétaví ptáci, například pštrosi? Ty jsou výjimkou z pravidla. Pro lidi byla otázka výživy vyřešena již dávno, a nyní, když jsme přistoupili k řešení letu, když jsme zjistili, jak obtížné je to pro ptáky, možná bychom jim neměli závidět?
