Pikowanie: najszybszy spadek świata

Sokół wędrowny — Falco peregrinus

Sokół wędrowny Falco peregrinus (ang. Peregrine Falcon) poluje prawie wyłącznie na ptaki, łapiąc je w powietrzu. Ma krępe ciało, szeroką pierś z potężnymi mięśniami lotu i spiczaste skrzydła o szerokiej nasadzie. W A2 przeczytałaś, że uważa się go za najszybsze zwierzę świata, ale że najwyższe podawane prędkości są niepewne. Ta lekcja pokazuje, skąd te liczby się biorą.

Spadanie to wyścig z oporem powietrza

Gdy sokół spada, przyspiesza go ciężar, a hamuje opór powietrza. Opór rośnie z kwadratem prędkości, więc w końcu zrównuje się z ciężarem i ptak przestaje przyspieszać. Tę prędkość nazywa się prędkością graniczną. Zależy przede wszystkim od tego, jak duży jest opór: im mniejszy, tym szybciej leci ptak, zanim opór go dogoni.

Sokół ma nad oporem władzę: kształtem ciała. Z rozłożonymi skrzydłami spada jak spadochron, ze złożonymi przy ciele jak kropla. Sprawdź to na modelu poniżej. Przesuwaj suwak i patrz, jak zmienia się prędkość graniczna i wysokość, którą sokół musi przelecieć, żeby się do niej zbliżyć.

Model jest uproszczony: liczy pionowy spadek ptaka o masie ok. 0,9 kg w nieruchomym powietrzu, bez siły nośnej. Wartości dla w pełni złożonych skrzydeł, ok. 300 km/h, są zbliżone do wyników modelu „idealnego sokoła” amerykańskiego fizjologa Vance'a Tuckera (1998). Prawdziwy sokół rzadko pikuje całkiem pionowo i przy pełnym złożeniu, a w zwykłym polowaniu leci wolniej.

Dlaczego sokół zaczyna wysoko

Model pokazuje coś ważnego: żeby zbliżyć się do największej prędkości, sokół ze złożonymi skrzydłami musi spadać kilkanaście sekund i przelecieć kilkaset metrów. Dlatego sokoły polujące z pikowania wspinają się wysoko nad zdobycz albo wypatrują jej z wysokiej skały czy wieżowca. Z niewielkiej wysokości nie zdążą się rozpędzić.

Jest też druga strona: zbyt szybki sokół trudniej trafia w zdobycz. Tucker zauważył, że przy bardzo dużej prędkości ptak traciłby zdolność skręcania za uciekającym gołębiem. Symulacje ataków sokoła oparte na fizyce lotu (Mills i in., 2018) sugerują, że pikowanie z dużą prędkością pomaga sokołowi w końcowym manewrze, bo daje mu siłę do ostrego skrętu w ostatniej chwili. To wciąż przedmiot badań.

Jak ciało to wytrzymuje

Przy takich prędkościach sokół musi poradzić sobie z kilkoma kłopotami:

• oczy: chroni je migotka, trzecia, półprzezroczysta powieka, która przesuwa się po oku, nawilża je i osłania przed pędem powietrza, nie zasłaniając widoku;
• nozdrza: w nozdrzach sokoła tkwi kostny guzek, który według popularnej hipotezy osłabia strumień powietrza wpadający do dróg oddechowych; to wciąż raczej przypuszczenie niż wynik pomiarów (zobacz A9 · Mapa ptaka);
• wyjście z pikowania: przy hamowaniu i skręcie na ptaka działają przeciążenia; szacuje się, że wielokrotnie większe niż jego ciężar, a mocna pierś i krótkie, sztywne pióra pomagają je znieść;
• wzrok w locie: sokół zbliża się do zdobyczy po łuku, a nie po prostej, bo tak może trzymać ją cały czas w najostrzejszym miejscu widzenia, z głową prosto, bez obracania jej i hamowania (Tucker, 2000).

Źródła

• V. A. Tucker, „Gliding flight: speed and acceleration of ideal falcons during diving and pull out”, Journal of Experimental Biology 201 (1998)
• V. A. Tucker, „The deep fovea, sideways vision and spiral flight paths in raptors”, Journal of Experimental Biology 203 (2000)
• R. Mills, H. Hildenbrandt, G. K. Taylor, C. K. Hemelrijk, „Physics-based simulations of aerial attacks by peregrine falcons reveal that stooping at high speed maximizes catch success against agile prey”, PLoS Computational Biology 14 (2018)

Mini-quiz

1. Co to jest prędkość graniczna i od czego zależy?
2. Dlaczego sokół wędrowny zaczyna pikowanie z dużej wysokości?
3. Do czego według symulacji z 2018 roku przydaje się sokołowi duża prędkość pikowania?
4. Co chroni oczy sokoła w czasie pikowania?
5. Dlaczego sokół zbliża się do zdobyczy po łuku?

Odpowiedzi

1. Prędkość, przy której opór powietrza zrównuje się z ciężarem i ptak przestaje przyspieszać; zależy przede wszystkim od oporu, czyli kształtu ciała i ułożenia skrzydeł.
2. Bo żeby zbliżyć się do największej prędkości, musi spadać kilkanaście sekund i przelecieć kilkaset metrów.
3. Daje mu siłę do ostrego skrętu w ostatniej chwili, za uciekającą zdobyczą.
4. Migotka, trzecia, półprzezroczysta powieka.
5. Bo tak może trzymać zdobycz w najostrzejszym miejscu widzenia, z głową prosto, bez obracania jej i hamowania.