Почему человек не способен к полёту¶

Почему человек не летает как птица — вопрос биомеханики и физиологии, объясняемый прежде всего соотношением массы тела и площади несущих поверхностей, а также анатомическими ограничениями опорно-двигательного аппарата. Птицы обладают лёгким скелетом, мускульной системой, приспособленной к взмахам, и оперением, формирующим крыло. Человек лишён всех трёх адаптаций: его масса слишком велика, а мышцы верхней части тела не способны обеспечить необходимую частоту и амплитуду взмахов для удержания собственного веса в воздухе.

¶Биомеханические ограничения

¶Соотношение массы и площади крыла

Ключевой параметр полёта — удельная нагрузка на крыло: отношение массы тела к площади несущей поверхности. У мелких птиц она составляет около 20–30 г/см², у крупных планерующих — до 100–150 г/см². Чтобы человек массой 70–80 кг удержался в воздухе при взмахном полёте, ему потребовалось бы крыло площадью порядка 1,5–2 м² с мышцами, совершающими взмахи с частотой несколько раз в секунду. Антропометрические данные показывают, что размах рук взрослого человека редко превышает 1,7–1,8 м, а площадь поверхности тела, пригодной для создания подъёмной силы, не превышает 0,2–0,3 м².

¶Мышечная сила и метаболизм

Мышцы груди и плечевого пояса человека рассчитаны преимущественно на манипуляции, удержание и лазание, а не на непрерывную циклическую работу. Мощность, которую способен выработать человек при интенсивной физической нагрузке, составляет около 400–700 Вт в течение нескольких секунд и порядка 100–200 Вт при длительной работе. Для удержания в воздухе взмахного полёта требуется мощность, эквивалентная примерно 20–40 Вт на килограмм массы тела, что для человека означает 1500–3000 Вт непрерывно — величина, превышающая физиологический предел примерно на порядок.

¶Скелет и вес

Скелет птицы занимает 5–7 % массы тела и состоит из полых костей, пронизанных воздушными камерами, связанных с дыхательной системой. Скелет человека — 15–20 % массы, плотный, с тяжёлыми трубчатыми костями. Даже при радикальном снижении массы тела за счёт атрофии мышц и костей (что само по себе несовместимо с жизнедеятельностью) соотношение массы и площади подъёмной поверхности оставалось бы неблагоприятным.

¶Аэродинамика человеческого тела

Человеческое тело в полёте создаёт аэродинамическое сопротивление, но не генерирует подъёмную силу. Форма тела не обеспечивает необходимого обтекания, а соотношение длины к поперечному сечению (удлинение) составляет около 3–4, тогда как для эффективного крыла требуется значение 5–10. При попытке планирования с расставленными руками и ногами подъёмная сила достигает лишь 10–20 % веса тела, чего недостаточно для устойчивого полёта.

¶Эволюционные причины

Отсутствие полётных адаптаций у человека — результат эволюционного пути приматов, ориентированного на наземное передвижение прямохождением. Ключевые предпосылки полёта у животных — лёгкий скелет, высокий метаболизм, специализированные конечности или кожные мембраны — у гоминид формировались в иных направлениях: увеличение объёма мозга, развитие мелкой моторики кисти, выносливость при ходьбе и беге.

¶Метаболизм птиц

Птицы поддерживают интенсивность обмена веществ в 2–3 раза выше, чем млекопитающие сопоставимой массы. Их дыхательная система с воздушными мешками обеспечивает непрерывный приток кислорода при вдохе и выдохе, что критично для энергозатратного полёта. Лёгкие человека устроены иначе: объём вентиляции ограничен частотой дыхания и объёмом тела, а максимальное потребление кислорода у тренированных спортсменов составляет 60–80 мл/кг/мин — величина, недостаточная для обеспечения мощности взмахного полёта.

¶Исторические попытки полёта

С древнейших времён предпринимались попытки имитировать птичий полёт. В византийском источнике IX века описана легенда о мастере Абвере, якобы прикрепившем к рукам перья и взлетевшем со стены Константинополя. В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи разработал несколько проектов орнитоптера — механизма с взмахными крыльями, приводимыми в движение мускульной силой человека. Ни одна из конструкций не была реализована в работающем виде.

В XVIII–XIX веках опыты с взмахными крыльями продолжались, но постепенно вытеснялись идеей планеров и воздушных шаров. В 1891 году Отто Лилиенталь совершил первые документированные полёты на планере, а в 1903 году братья Райт осуществили первый управляемый полёт на самолёте с двигателем внутреннего сгорания. Эти конструкции заменили мускульную силу человека механической тягой, решив проблему мощности.

¶Современные технологии

¶Орнитоптеры

В XX–XXI веках создано несколько работающих орнитоптеров, приводимых в движение мускульной силой человека. Крупнейший из них — канадский «Snowbird» (2010), оснащённый взмахными крыльями общей площадью около 32 м², совершил полёт продолжительностью 19 секунд. Такие аппараты демонстрируют принципиальную возможность взмахного полёта человека, но требуют нестандартных условий: уменьшенной нагрузки, длинного разбега, подъёма с горки.

¶Парашютный спорт и wingsuit

Парашютизм позволяет человеку находиться в воздухе, используя гравитацию и аэродинамическое сопротивление. Wingsuit — костюм с мембранами между руками и телом и между ногами — увеличивает площадь несущих поверхностей примерно до 1,5 м² и позволяет планировать со скоростью 160–250 км/ч, снижаясь примерно на 1 м на каждые 3 м горизонтального перемещения. Полёт в wingsuit не является активным полётом: он начинается с высоты и заканчивается раскрытием парашюта.

¶Моторизированные летательные аппараты

Парения на параплане и дельтаплане с использованием подъёмной силы потоков воздуха позволяют человеку长时间 находиться в воздухе без двигателя. Моторные квадроциклы и личные летательные устройства (JetPack, Gravity Industries) обеспечивают вертикальный взлёт и удержание в воздухе за счёт тяги реактивных двигателей, однако время полёта ограничено 5–20 минутами из-за большого расхода топлива.

¶Сравнительная таблица

¶Примечания