Когда мы смотрим на птичий клин в небе, кажется, что это образец дисциплины и порядка. Впереди летит мудрый вожак, за ним выстраиваются ровные ряды, как на параде. Но стоит присмотреться повнимательнее, и вся эта стройность разваливается. Одна сторона клина почти всегда длиннее другой. Лидер вовсе не главный командир. А весь строй напоминает не идеальную букву V, а скорее очередь за чем-то бесплатным.
Птицы не выстраивают в небе идеальные геометрические фигуры. Их главная задача — экономить силы, используя воздушные потоки друг друга. Поэтому знаменитый журавлиный клин на самом деле всегда кривой. И именно в этом его секрет.
Кстати, журавлиный клин — это название, которое прижилось скорее по традиции. На самом деле так летают многие крупные птицы: гуси, казарки, лебеди, пеликаны, ибисы и даже грачи.
Всё дело в физике полёта. Когда птица машет крыльями, она толкает воздух вниз. Но у кончиков крыльев воздух закручивается и поднимается вверх, образуя восходящий поток. Если другая птица пристроится сзади и чуть сбоку, её крыло попадает прямо в эту невидимую струю. Она получает бесплатный подъём. Можно махать реже и дольше планировать. На дистанции в тысячи километров это вопрос выживания.
Это чем-то напоминает гонщика в пелотоне, который прячется за спину соперника от встречного ветра. Но у птиц бонус интереснее. Они не просто укрываются от ветра, а ловят чужой восходящий поток. Не аэродинамическая тень, а настоящий лифт.
Долгое время это была только теория. В 2001 году французский биолог Анри Веймерскирх приклеил датчики пульса восьми белым пеликанам и отправил их лететь за моторной лодкой по реке Сенегал. Птиц перед этим выдрессировали для съёмок документального фильма о миграции, так что учёные просто не могли упустить такой шанс. Результат оказался впечатляющим. У пеликана, летящего в строю, сердце билось медленнее, чем у одиночки на той же скорости:
на 11–15 процентов.
В 2014 году команда Стивена Португала нацепила GPS-передатчики на лысых ибисов и обнаружила ещё одну деталь. Птицы не просто занимают удобное место. Они подстраивают свои взмахи под соседа, ведя крыло по той же воздушной дорожке. А если приходится лететь прямо за хвостом, где воздух опускается вниз, они машут в противофазе, чтобы не угодить под чужой «выхлоп».
И вот ещё что интересно. Почему в такой строй выстраиваются гуси и пеликаны, а стайка воробьёв никогда так не летает? Фокус работает только у крупных птиц с широкими крыльями и медленными, мощными взмахами. Их вихри большие и предсказуемые, в них можно встать.
Мелкие птицы клином не летают — нет эффекта
У мелких птиц крылья мельтешат слишком быстро, поток за ними рваный. Там не то что лифт поймать, там бы с соседом не столкнуться. Поэтому воробьи и скворцы летят облаком или галдящей кучей, а величавую галочку рисуют только тяжеловесы.
С тем, зачем нужен клин, разобрались. Осталось понять, почему он вечно косой.
Идеальный клин рисуют только в учебнике
В учебнике клин — это правильный равнобедренный треугольник. Слева от вожака столько же птиц, сколько справа, на тех же дистанциях. В воздухе так не бывает почти никогда. И вот почему.
Воздух — это не расчерченная тетрадь. Его гонит ветер, рвут мелкие вихри, снизу подпирает нагретый от земли поток. Каждая птица крылом нащупывает свою личную идеальную точку: где восходящая струя сильнее, а чужая турбулентность меньше. И эти точки не ложатся зеркально по обе стороны от лидера. Одна цепочка растягивается дальше, другая обрывается раньше. Клин перекашивается сам собой, без всякого злого умысла.
Добавьте боковой ветер. Стая заваливается на ту сторону, где «лифт» ощущается крепче. Одна полка вытягивается, вторая подбирается.
Тут и прячется весь ответ. И он проще, чем кажется. Клин — это не фигура. Это очередь за бесплатным подъёмом. Где очередь встала удобнее, туда и набивается больше народу. А больше народу — значит, длиннее сторона. Всё.
Орнитологи не поленились и измерили углы настоящих клиньев у пеликанов и казарок. По теории для максимальной выгоды нужен угол около 120 градусов. А в жизни намеряли разброс
от 24 до 122 градусов,
в среднем — около 67. То есть птицы летят под углами, которые даже близко не дотягивают до «правильного».
А кто-то ведь летит впереди и тащит весь этот табор. Наверное, самый мудрый и сильный? А вот и нет.
Вожак впереди — вовсе не царь
Начнём с того, что лететь впереди клина — тяжкий труд. Головная птица режет нетронутый воздух, ей никто не подставляет восходящую струю, и выдыхается она быстрее прочих.
Переднему не достаётся бокового бонуса, который есть у всех позади. Поэтому лидер и меняется. Устал резать носом ветер — свалился назад отдохнуть в чужой тяге. Вперёд вышел тот, кто посвежее. Обычная вахта у штурвала.
У тех же ибисов подсмотрели почти трогательную штуку. Отдельного вожака в стае вообще не нашли. Каждая птица примерно треть времени шла следом и примерно столько же вела сама. Сколько ты повёз меня — столько потом и я.
Клин никто не строит по чертежу. Его каждую секунду заново лепят полсотни отдельных птиц, у каждой свои силы, свой возраст и свои капризы. Симметрия в такой толпе — редкая удача. Перекос — норма жизни.
И вот что забавно. Этот кривой, несовершенный строй мы у птиц подсмотрели и потащили в небо уже свои, железные машины.
Клин, который переехал в авиацию
Ещё в 1970 году инженеры Лиссаман и Шолленбергер посчитали на бумаге: идеальный клин из 25 птиц мог бы растянуть дальность полёта на
71 процент.
Правда, с двумя оговорками: лететь на четверть медленнее и встать точно в расчётные места. В природе так гладко не выходит. Зато цифра намекнула конструкторам, что над головой болтаются почти бесплатные километры. И их пошли подбирать.
Военные лётчики США гоняли парами тяжёлые транспортники C-17 (армейский грузовик неба размером с трёхэтажный дом, в него влезает танк). Задний самолёт вставал в вихревой след переднего, ровно как гусь за гусём, и ловил тот самый восходящий поток. Экономия топлива у ведомого борта дошла до десяти процентов.
В NASA отдельно учили машины держать такой строй на автопилоте, без нервотрёпки для экипажа. Смешно выходит: мы полвека сочиняли аэродинамику с чистого листа, жгли керосин и миллионы, а готовый ответ всё это время летел над нами каждую осень. Слегка кривой на один бок.