Физика и ориентировка птиц в полете - Физика в школе

Перейти к содержимому

Главное меню

Физика и ориентировка птиц в полете

 

Физика и ориентировка птиц в полете


Дважды в год мы становимся свидетелями замечательного и до сих пор не вполне объясненного явления: перелетные птицы летят весной из теплых стран в холодные и умеренные области; осенью все эти птицы, а также молодые выводки возвращаются обратно.
Птицы летят днем и ночью, придерживаясь определенных путей. В большинстве случаев перелетом стаи руководят старые, опытные вожаки. Но бывает и иначе: у аистов, кукушек и некоторых других видов молодые птицы уже в первый раз летят совершенно самостоятельно, отдельно от старых.
При наблюдении перелетных стай невольно возникает вопрос: каким образом птицы безошибочно выбирают нужное им направление?
До какого-то времени это оставалось загадкой.
Перелеты птиц давно привлекали внимание людей. Еще в глубокой древности было установлено, что в каждой местности в различные времена года живут разные птицы. Но в те далекие времена достоверным сведениям о явлениях природы часто сопутствовали самые фантастические сказки. Так, Аристотель считал, что ласточки, скворцы, дрозды и некоторые другие птицы не являются перелетными. Они якобы прячутся и впадают в зимнюю спячку в местах своего постоянного обитания.
Это мнение удерживалось очень долго. О спячке птиц писали еще в XVI в. В частности, считали, что ласточки на зиму прячутся в тину болот или зарываются в ил. В 1740 г. была даже попытка доказать эту теорию с помощью опыта. К лапкам большого количества ласточек были привязаны красные тряпочки. Некоторых из этих птиц удалось поймать в следующем году. Никаких следов пребывания тряпочек в тине или иле не было обнаружено. Опыт доказал, что ласточки не зимуют под водой, однако он не мог служить свидетельством того, что ласточки улетают на зимовку в отдаленные страны.
На рубеже XIX и XX вв. начали широко применять кольцевание птиц, которое позволило получить подробные сведения об их жизни. В наши дни кольцевание применяется многими научными организациями. К лапке птицы прикрепляется легкое кольцо с необходимыми данным» (время и место окольцевания птицы, наименование и адрес организации). Кольцо является точным «документом», фиксирующим, откуда и куда перелетела птица.
Большое количество сведений о перелетных птицах было собрано еще до широкого распространения кольцевания. Особенно ценные данные опубликовал в 1853 и 1866 гг. русский орнитолог К. Ф. Кеслер, производивший систематические наблюдения в
Киевской губернии. В то время было распространено мнение, что птицы всегда летят вдоль больших рек, текущих в меридиональном направлении. Кеслер же выяснил, что вдоль Днепра летят лишь одиночные птицы. Большинство перелетных птиц пересекает Днепр и направляется весной на северо-восток, а осенью на юго-запад.
Наблюдения Кеслера позволили сделать вывод, что птицы летят широким фронтом в определенном направлении, но не придерживаются каких-либо узких пролетных путей.
Этот вывод, оспаривавшийся многими учеными, подтвержден в наши дни данными, полученными в результате широкого применения кольцевания птиц.
В 1855 г. в Петербурге появилась замечательная работа русского ученого А. Ф. Миддендорфа, исследовавшего перелеты птиц на огромных пространствах восточной Европы и северной Азии. Он вычертил на карте линии, соединяющие места одновременного весеннего прилета птиц семи распространенных пород. На основании этих наблюдений Миддендорф пришел к неожиданному выводу: все эти птицы летят по направлению к северному магнитному полюсу Земли. В связи с этим он предположил, что в теле перелетных птиц существуют особые электрические токи, которые и помогают им ориентироваться.
Большинство ученых отвергало эту поразительную гипотезу. Но наблюдения последних лег вновь возродили ее. Хотя вопрос о том, каким образом птицы ориентируются в полете, не может считаться окончательно разрешенным и сейчас.
Для того чтобы полнее осветить этот вопрос, обратимся к фактам.
Большинство птиц ежегодно возвращается в те места, в которых они вывелись. «Старики» во многих случаях занимают свои прошлогодние гнезда.
Об этом свидетельствуют наблюдения за скворцами, грачами и др.
Перелеты, как правило, совершаются по трассам, обеспечивающим птицам по возможности безопасный отдых и питание. Такие трассы зачастую совпадают с морским побережьем, долинами или водоразделами рек и т. п. Однако обычно молодые птицы, летающие в одиночку, отклоняются от этих трасс, направляясь почти прямо на юг.
Существенно, что птицы способны ориентироваться не только во время сезонных перелетов, а постоянно. Эта их способность доказана экспериментально.
Так, например, в 1907 г. крячек, гнездящихся на островах Мексиканского залива, увозили на дальние расстояния (до 1368 км). Птицы самостоятельно возвращались в гнездовья по незнакомой трассе над морем. В 1934 г. такие же опыты проводились с полярными крячками на расстояниях свыше 400 км. В некоторых случаях птиц увозили на сотни километров в закрытых клетках и даже под наркозом. Несмотря на это, они в большинстве случаев возвращались к своим гнездам.
Современная наука собрала большое количество сведений о том, в каких условиях и как происходят перелеты птиц. Объяснение этих фактов позволяет раскрыть тайны ориентировки птиц.
Говоря об ориентировке птиц, мы будем различать навигацию, т. е. определение направления при длительных полетах (часто без земных ориентиров), от пилотирования
ориентировки птиц при полетах в районе гнездовья. При полетах на близкие расстояния большую роль играет острое зрение и память птиц. Они, несомненно, запоминают окрестные предметы и с их помощью определяют местонахождение гнезда. При дальних же перелетах, перелетах над незнакомой местностью или над океаном этот способ ориентировки непригоден.
Опыты с голубями показывают, что их врожденные навигационные способности уступают способностям диких перелетных птиц. Однако они могут быть сильно развиты тренировкой. Навигационные способности голубей позволяют им после больших перелетав над незнакомой местностью выйти на цель с ошибкой, не превышающей 50 км. После этого они находят голубятню, пользуясь земными ориентирами.
Обычно голубь, выпущенный в незнакомой местности, делает несколько больших кругов и только после этого берет нужный курс. Очевидно, сидя на земле, голубь не может определить необходимого направления. Это значит, что эффекты, используемые птицей для навигации, возникают только во время полета.
Почтовые голуби не способны к навигации в плотном тумане, над облаками и в полной темноте. Слепые птицы и птицы с завязанными глазами летят по кругу, переходящему в сворачивающуюся спираль. Они постепенно снижаются и затем, с небольшой высоты, резко падают на землю. Это доказывает, что навигационные способности птиц (даже в незнакомой местности и над морем) связаны с наблюдением земли.
В последние годы выяснено, что голуби не способны ориентироваться вблизи мощных радиовещательных и радиолокационных станций. Очевидно интенсивные электромагнитные волны, излучаемые этими станциями, сильно действуют на органы птиц, служащие для целей навигации. А это доказывает, что навигация птиц связана с восприятием некоторых электромагнитных воздействий.
Первоначальная гипотеза Миддендорфа, который предположил, что во время весеннего перелета птицы летят по направлению к северному магнитному полюсу, несомненно, имеет большое значение. Однако только этой гипотезой нельзя объяснить их навигационные способности. Для безошибочной ориентировки в полете недостаточно знать направление север
юг. Чтобы скворец, вынутый из гнезда в Москве и перевезенный в Ленинград, мог вернуться в свой скворечник, он должен не только знать, в каком направлении от Ленинграда находится северный магнитный полюс, но и иметь возможность определить свое местоположение, а также находить направление, в котором ему надо лететь, чтобы возвратиться к гнезду.
На языке наших понятий это значит, что он должен знать, например, широту и долготу обеих точек, лежащих на концах его маршрута. Широта и долгота в данном случае
величины совершенно условные, вместо них можно пользоваться и другими. Необходимо только, чтобы это были две независимые величины, которые принимают различные значения в разных точках земной поверхности. Такие величины называют координатами.
Существует сравнительно большое количество физических величин, которые могут служить такими координатами.
Из-за суточного вращения Земли все тела подвержены действию центробежной силы. Она уменьшает вес тела, измеренный пружинными весами, и вызывает отклонение отвеса от линии, соединяющей точку подвеса с центром Земли.
Центробежная сила, при постоянной скорости вращения, тем больше, чем дальше тело находится от оси вращения. Поэтому на полюсах центробежная сила равна нулю, а на экваторе она достигает наибольшего значения, равного трем тысячным долям веса тела. Таким образом, центробежная сила зависит от географической широты и поэтому в принципе может служить величиной, определяющей широту места.
Суточное вращение Земли является также причиной возникновения особых, так называемых кориолисовых, сил, действующих на тела, движущиеся по отношению к поверхности Земли. В северном полушарии Земли кориолисова сила направлена вправо по отношению к направлению движения, в южном полушарии
влево.
При постоянной скорости вращения кориолисова сила возрастает с расстоянием от оси вращения и со скоростью движения тела. Существенно, что эта сила зависит и от направления движения тела. Она равна нулю, если тело движется вдоль оси вращения, и становится наибольшей, если оно движется перпендикулярно к этой оси. Для тел, движущихся вдоль поверхности Земли, кориолисова сила, так же как и центробежная, равна нулю на полюсах и становится наибольшей у экватора. Эта сила вызывает отклонение отвеса, помещенного на движущихся телах, и изменение веса движущихся тел. Она является причиной известного явления
размыва правых берегов рек северного полушария и левых берегов рек южного полушария. Размыв этот объясняется тем, что кориолисова сила прижимает текущую воду к соответствующему берегу реки. При этом разница уровней у противоположных берегов достигает вполне заметных величин.
В северном полушарии кориолисова сила прижимает колеса железнодорожных составов к правому рельсу, что вызывает усиленный износ правого рельса двухколейных дорог в этом полушарии. В южном полушарии по этой же причине изнашивается левый рельс.
Кориолисовыми силами частично объясняется деривации
отклонение пуль и артиллерийских снарядов, что приходится учитывать при стрельбе.
Кориолисовы силы вызывают отклонение воздушных и морских течений, что приводит к образованию циклонов.
Величина центробежной и кориолисовой сил в различных точках Земли зависит от географической широты. Таким образом, в принципе они обе могут служить птицам для ориентировки в полете. Однако правильнее считать, что птицы используют для ориентировки не центробежную, а кориолисову силу. Об этом свидетельствует тот факт, что перед определением нужного направления птенца совершает круги или, во всяком случае, часть круга.
Вторую координату, необходимую для ориентировки птиц, несомненно, образует магнитное поле Земли.
Как известно, магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Поэтому линии магнитной «широты» не совпадают с линиями широты географической. И поскольку магнитные полюсы смещены относительно географических полюсов, линии магнитной «широты» и линии географической широты образуют на поверхности Земли пересекающуюся сетку.
Если птицы способны реагировать на величину магнитного и кориолисова полей, то в их распоряжении оказывается своеобразная координатная сетка, с помощью которой они могут ориентироваться в полете. Это предположение было недавно проверено на опыте. К обоим крыльям каждого из десяти обученных почтовых голубей прикрепили по одному сильному магниту весом около 0,8 г., имевшему вид пластинки размером 25,4 X 4,9 X 0,62 мм. К крыльям десяти контрольных голубей прикрепили медные пластинки таких же размеров. Расстояние между магнитами или пластинками при полете птицы составляло примерно 30 см.
После тренировки птиц выпустили в незнакомой местности, на расстоянии 100 км от голубятни. В итоге испытаний пять голубей, несших медные пластинки, возвратились на голубятню в тот же день
и на другой день прилетели еще три. Из десяти голубей, несших магниты, на голубятню вернулся лишь один, и то только на четвертый день.
Этот опыт убедительно подтверждает, что магнитное поле Земли играет важную роль в процессе ориентировки птиц. Магниты, прикрепленные к крыльям, мешали голубям выбрать правильное направление полета. Однако на основании этого опыта невозможно установить, воспринимают ли птицы магнитное поле непосредственно, или в нервах, либо в движущейся крови птицы происходит электромагнитная индукция. Дело в том, что магниты, прикрепленные к крыльям, колеблются во время полета с частотой 180 периодов в секунду, с амплитудой около 4 см. При этом в теле птицы индуцируется электродвижущая сила величиной 0,12 микровольта на сантиметр. Эта величина сравнима с величиной электродвижущей силы, которая индуцируется в теле птицы при ее полете через магнитное поле Земли.
Чтобы установить, на что реагируют органы, служащие для ориентировки птицы,
на электрические токи или же непосредственно на магнитное поле, следовало бы прикрепить магниты не к крыльям, а к телу птицы. При этом магниты были бы неподвижны относительно птицы и в ее организме не индуцировались бы дополнительные токи. Однако величина магнитного поля, действующего на птицу, оказалась бы измененной. Если бы ориентировка птиц при этом не была нарушена, то можно было бы определенно считать, что птица воспринимает величину магнитного поля не непосредственно, а в виде электродвижущих сил, возникающих в ее организме.
Известно, что нервная система животных крайне чувствительна к слабым электродвижущим силам. Поэтому возможно, что для определения нужного направления птица руководствуется ощущениями, вызываемыми электродвижущими силами, имеющими своим источником магнитное поле Земли.
Наблюдая на карте сетку, образованную магнитными и географическими широтами, нетрудно убедиться в том, что возможны следующие случаи: 1) линия магнитной широты не пересекает данную географическую широту; 2) линия магнитной широты касается данной географической широты; 3) линия магнитной широты дважды пересекает данную географическую широту.
В большинстве случаев соответствующие точки пересечения удалены одна от другой на значительные расстояния. В середине между этими точками обе линии идут почти параллельно. Это открывает еще одну возможность проверки гипотезы об ориентировке птиц. В обеих точках пересечения магнитной и географической широт (так называемых сопряженных точках) соответствующие значения магнитного поля и поля кориолисовых сил одинаковы. Поэтому, если высказанная гипотеза о механизме ориентировки птиц правильна, то они не способны отличить одну из сопряженных точек пересечения широт от другой.
Соответствующий опыт был поставлен следующим образом. Партия голубей проходила длительную тренировку в одной из сопряженных точек. Для того чтобы им легче было находить голубятню, ее выкрасили в ярко желтый цвет и над ней подняли сигнальный аэростат. После тренировки, голубей и голубятню перевезли во вторую сопряженную точку, отстоящую от первой на расстоянии 1750 км. Затем голуби выпускались из различных пунктов, окружающих вторую сопряженную точку.
Расстояния составляли от 40 до 300 км. Если бы голуби, как это предполагалось ранее, летели к тому месту, где они прошли тренировку, они должны были бы прилететь в первую сопряженную точку. Однако туда не прибыла ни одна птица. В большинстве случаев они сразу брали направление приблизительно на вторую сопряженную точку и отыскали свою голубятню в совершенно незнакомой местности.
Этот опыт доказывает, что птицы действительно не могут различать сопряженные точки магнитно - кориолисова поля и летят к ближайшей сопряженной точке. Если расстояния до обеих сопряженных точек равные, то часть птиц полетит к одной из них, а часть к другой.
Описанные опыты служат серьезным подтверждением гипотезы, согласно которой основную роль при ориентировке птиц играют земное магнитное поле и поле кориолисовых сил.
Совокупность известных фактов заставляет предположить, что для восприятия кориолисовых сил у птиц служат необычайно сильно развитые органы равновесия. У быстролетающих птиц эти органы занимают большую часть объема головы. Если птица видит поверхность земли, то она может, таким образом, по кажущемуся отклонению вертикали ощутить величину кориолисовой силы, а оценивая полетную скорость,
определить место полета.
Конечно, птица не мыслит в терминах (широта, скорость, кориолисовы силы и т. п.),
она рефлекторно реагирует на отличие получаемых ею ощущений от тех, к которым она привыкла при полетах в районе гнездовья.
О восприятии птицами магнитного поля известно еще меньше, чем о восприятии поля кориолисовых сил. Существует несколько предположений. Птица может реагировать на электродвижущие силы, индуктируемые в ее нервах или сосудах с медленным течением крови. При этом величина электродвижущей силы будет определяться скоростью и направлением полета и магнитной широтой. Птица может реагировать также на электродвижущую силу, индуцируемую в сосудах с быстро движущейся кровью. В таком случае эта сила будет изменяться только при изменении направления полета и магнитной широты места. Величина скорости полета при этом не будет играть роли. Возможны и другие явления, с помощью которых птица может ощущать воздействие магнитного поля Земли.
Дальнейшее изучение перелетов птиц потребует совместной работы ученых различных специальностей (биологов, физиков, геофизиков). Необходимо выяснить, играет ли какую-нибудь роль при ориентировке птиц наблюдение за небесными светилами, роль которого при ориентировке насекомых установлена с полной определенностью. Следует выяснить, в какой мере птицы могут реагировать на изменение величины ускорения силы тяжести, которое так же, как и кориолисова сила, зависит от географической широты места наблюдения.
Важно установить, какую роль при ориентировке птиц играют магнитные аномалии, магнитные бури, а также какое действие оказывают излучения мошных радиостанций.
Мы находимся на пути к разрешению одной из древнейших загадок природы. Нанесен решительный удар бессодержательным теориям «инстинктивной способности» и «наследственной памяти» птиц. Дальнейшее изучение вопроса основывается да твердой базе опытных фактов.

 
 
Назад к содержимому | Назад к главному меню