Inženýři mezi pterosaury - Aerodynamika ptakoještěrů při konstrukci letadel

Nedávno jsem se zúčastnil jedné menší diskuze ohledně předloh pro zbraně v rámci lidské historie, konkrétně meče, katany a jiní sečné a bodné zbraně, a zmínil jsem se také o tom, že se tanky a veškerá bojová vozidla až do současnosti nevědomky inspirují neptačími dinosaury (Dinosauria) jako ankylosauridními tyreoforany (Ankylosauridae). Ačkoliv jsme narazili na fakt, že se v historii rytíři nebo jiní bojovníci nemohli těmito skvěle obrněnými druhy druhohorních živočichů inspirovat kvůli nespornému faktu, že o nich tehdejší vědy neměly tušení, ale tato diskuze mě přivedla na myšlenku, jak moc se lidský druh inspiruje okolní přírodou a to od jeho počátků. Pouze se tento fakt násobí nasazením bojových vozidel, nových typů letadel, průkopnických návrhů dronů a strojů, přestože už Leonardo da Vinci pracoval s návrhy ornitoptéry založené na funkci ptačích křídel a jejich extrapolace do jednoduchého, člověkem ovládaného stroje. Paleontologové a biomechanici ovšem, podle nově vyšlé studie, přehlédli, že schopnosti ornitoptéry a letadel, které jsou založeny na moderních ptácích (Aves), se dají nahradit nebo předčit pomocí schopností letu a obratnosti evolučních "bratranců" neptačích dinosaurů - pterosaurů (Pterosauria). Podle autorů nové studie měli tito létající a pravděpodobně teplokrevní obratlovci velmi dobré predispozice k tomu, aby jsme se podle jejich morfologie a anatomie mohli inspirovat při vývoji současných technologií jako dronů nebo helikoptér. Určité zvláštní adaptace, jako specifický tvar a využití prstů na předních končetinách nebo způsob vzletu už jen z letmého pohledu k těmto spekulacím vede a autoři tohoto výzkumu se zaměřili na biomechaniku těchto obratlovců skutečnou použitelnou k výrobě současných strojů založených na jejich morfologii.

Australský pterosaurus druhu Mythunga camara patří spíše ke středně velkým druhům s rozpětím dosahujícím zhruba 4,7 metru, ale stal se poměrně důležitým kvůli pochopení evoluce křídových pterosaurů v Austrálii. I tento druh vykazoval adaptace, podle kterých by se mohlo současné letectví a vývoj dronů nebo jiných strojů inspirovat. Tento konkrétní druh obýval Queensland před přibližně 108 miliony let. Kredit: Joschua Knuppe, převzato z webu Pteros

Inspirace obratlovci (Vertebrata) i bezobratlými při vývoji nových typů zbraní, vozidel, letadel nebo lodí provází lidský druh po velice dlouhou a to z různých důvodů - lidé mohli z živočišných druhů převzat jejich kamufláž, obratnost nebo celkovou dokonalost jejich těla v rámci hydrodynamiky nebo aerodynamiky. Jak už bylo řečeno v úvodu, vývoji různých strojů podle tělesného plánu některých obratlovců nebo bezobratlých šel velmi rychle dopředu při válečných obdobích a to především v době od začátku 20. století. Možná náhodou byl v souvislosti s tím pojmenován i prvoválečný francouzský Boiraultův stroj pro překonávání zákopů přezdíván jako "Diplodocus militaris", ovšem kvůli jeho monstróznosti a neužitečnosti srovnáván s právě s diplodoky. Od roku 1986, kdy byl proveden simulovaný let animatronického modelu rodu Quetzalcoatlus, se ovšem dá reálně uvažovat o myšlence vývoje letadel na základě anatomie ptakoještěrů.

Svět techniky a mechaniky se na tuto skupinu obratlovců ještě neohlížel a to kvůli jejich odrazu, který razila paleontologická veřejnost prakticky až doby 70. let 20. století - jejich výzkum od této doby pokročil natolik, že se zkoumání jejich evoluce, morfologie nebo ekologie dá považovat za pomalu se oddělující podobor spadající pod herpetologii. V tuto chvíli můžeme pterosaury označit za skupinu obratlovců, která má ještě neznámé části výzkumu s velkým potenciálem.

Nová studie kolektivu britských paleontologů, pod vedením Liz Martin-Silverstoneové z Bristolské univerzity, se zabývala anatomií pterosaurů, okrajově narážející i některé další plachtící nebo snad i aktivně létající prehistorické obratlovce, a jejich morfologií použitelnou při konstrukci současných zařízení běžných v civilním i armádním životě. Rozhodli se zkoumat hlavně způsob, jakým se dostávali do vzduchu, jak účinný byl jejich a jeho odlišnosti od současných létajcích obratlovců.

Jejich interpretace je vysvětlena výše, na pterosaurech jsme zatím přehlíželi velké množství zajímavých znaků, které se dají se současnými technickými znalostmi využít v praxi. Jejich hlavní slabinou je nekompletnost některých pozůstatků kvůli jemným dutým kostem a celkově spíše fragmentální povaze velkých druhů (jako druh Hatzegopteryx thambema nebo Quetzalcoatlus northopi).

Autoři ovšem konstatují, že existuje několik druhů, u kterých se dá anatomie a biomechanika zkoumat poměrně dobře díky dobře zachovaným fosiliím a přibližným proporcím jednotlivých částí těla, především tedy křídel.

Vedoucí autorka se ke studii vyjádřila tak, že existují zhruba 2 až 3 fosilie ptakoještěrů s výjimečně zachovanou strukturou křídel, které představují i přibližnou podobu anatomie membrán napjatých mezi čtvrtým prstem kyčlemi. Dnes víme, že nešlo pouze o kůži, ale šlo o poměrně složité struktury složené z krevních vlásečnic, kůže, škáry a pyknovláken (dnes konstatovaných jako typ pravděpodobného pernatého pokryvu), takže snesou srovnání se netopýřími křídly (Chiroptera) nebo křídly ptáků.

Na základě tohoto vědci posoudili analytickými metodami, jaké nejpravděpodobné tvary křídel se u této skupiny vyskytovaly, přirozeně pouze u druhů známých z nekompletních pozůstatků, a tím pádem můžeme předpokládat i letové techniky kterými těmito živočichové zaživa oplývali. Po této části výzkumu ji vědci uzavřeli s tím, že křídla ptakoještěrů mají adaptace z části odlišné od současných aktivně létajících obratlovců a některé se vyskytují pouze u ptakoještěrů a recentní taxony je vůbec nevlastní.

Při anatomii křídel se také vědci zaměřili na stavbu předních končetin a přítomnost mechanismu, který mohli tito živočichové využívat při letech na velké vzdálenost. Přinejmenším u azhdarchoidních pterosaurů (Azhdarchoidea, zejména rody Aramabourgiana a zmíněný kvecalkoatlus) a kladu Ornithocheirae předpokládáme, že podnikali jejich zástupci dlouhé migrační trasy mezi kontinenty, takže se u nich pravděpodobně vyskytovaly adaptace na předních končetinách podporujících stálé držení křídel a celého těla při transkontinentálních letech. U azhdarchoidů pak po delší čas existují oprávněné předpoklady, že dokázali vydržet dlouhé desítky kilometrů bez přistání.

 Při tomto je oprávněné předpokládat, že se jejich svalstvo a membrány tvořící křídla dokázala vyrovnávat tlak a náhodné větrné víry v troposféře, přestože z fosilních nálezů se podobné skutečnosti prokazují stále ještě v omezené míře. Tato technika vyrovávaní tlaku a udržení stálé polohy při letu kvůli vlastní morfologii tělesných proporcí může výrazně pomoci tvorbě obleků jako je tzv. wingsuit nebo vyřešit důležité zákonitosti při otázkách týkajících se vývoje letadel nebo bezpilotních letounů.

Dalším a posledním důležitých aspektem pterosaurů, který je ve studii zohledněn, je způsob jejich výskoku a obecně vzletu. Dnešní drony, jak autoři studie zmiňují, mají poměrně omezené možnosti vzletu, který musí vykonat ze stacionární polohy nebo velmi krátké vzletové plochy. Mike Habib, jeden ze spoluautorů studie, proto zmínil, že velcí ptakoještěři a pterosauři obecně dokázali velmi účinně vyskočit a jediným skokem vzletět.

Tato forma "aktivního výskoku" patří k velmi pravděpodobným verzím vzletu především opět velkých azhdarchoidů, podle Habiba dokázala membrána ve spojení se silou předních končetin vytvořit dostatečnou sílu k výskoku a vzletu. Tento názor podporují i biomechanické studie z poslední dekády. Právě to může pomoci dronům k efektivnějšímu vzletu.

Autoři ještě závěrem přidávají, že se v minulosti vyvíjely další specifické formy anatomie létajících nebo plachtících obratlovců (druh Microraptor gui - čtyři plochy vhodné pro plachtění; druh Yi qi - používání kombinace membrány mezi prsty a pernatého pokryvu), které by také mohly být formou prototypů implementovány do mechaniky a letectví dneška. Zároveň ovšem dodávají, že k praktickému využití adaptací pterosaurů musíme vést delší výzkum, který bude ve spojení s letovými inženýry a mechaniky.