Принцип действия птичьих шипов-а именно то, как они не позволяют птицам садиться на сами шипы-, заключается в том, что эти устройства обычно изготавливаются из эластичных материалов. Следовательно, под действием собственного веса, веса птиц или динамических сил, связанных с взлетом и приземлением птиц, они подвергаются только упругой деформации. В настоящее время недостаточно исследований относительно конкретных сил, оказываемых птицами на опорные конструкции во время взлета и приземления. В четвертом выпуске журнала *Electrical Technology*, опубликованном в 2023 году, Чжан Чуаньминь и Чжан Дун-представители Fukang Guojin Electric Co., Ltd. и Tingkai Electric New Technology Research and Consulting Studio в районе Лунган, Шэньчжэнь,-опубликовали статью, описывающую конструкцию специализированного-прибора для измерения силы, используемого для исследования сил, действующих на бытовую технику. голуби на несущих конструкциях во время взлета и посадки.
Результаты их исследований показывают, что силы, действующие на опорную конструкцию домашних голубей во время взлета, имеют нормальное распределение, тогда как силы, действующие во время приземления, подчиняются логарифмическому-нормальному распределению. При этом максимальная сила, оказываемая домашними голубями на опорную конструкцию при взлете и приземлении, редко превышает массу собственного тела в 4,6 и 3,8 раза соответственно. Поскольку дикие птицы не были выбраны в качестве подопытных, результаты эксперимента могут не иметь универсального применения; поэтому для практической реализации рекомендуется спроектировать установки для испытаний на открытом воздухе, чтобы повысить надежность будущих экспериментальных результатов. Наконец, авторы провели эксперименты с птичьими шипами из разных материалов, длины и диаметра и предоставили рекомендации по соответствующему выбору этих устройств.
Основная функция птичьих шипов — не допускать того, чтобы птицы садились на определенную территорию, обозначенную как «защищенная зона». С точки зрения реальных эксплуатационных характеристик, механизм отпугивания птиц-этих шипов предназначен для предотвращения приземления птиц *непосредственно* на сами шипы; однако это не мешает птицам, приземлившимся *рядом* с шипами, впоследствии переместиться в защищенную зону. Другими словами, если птица приземлится за пределами охраняемой зоны, она по-прежнему сможет свободно передвигаться; если высота самого внешнего слоя развернутых шипов будет ниже высоты стояния птицы, птица потенциально может забрести в защищенную зону, тем самым делая птичьи шипы неэффективными и сводя на нет их защитную функцию.
Наблюдения, проведенные в ходе реальных полевых работ, показали, что после нескольких лет эксплуатации некоторые шипы птиц подвергаются необратимой деформации. Это явление возникает потому, что внешние силы, действующие на шипы, превышают предел их упругости, что приводит к пластической деформации. Причины такой пластической деформации разнообразны, включая-но не ограничиваясь-использованием неподходящих материалов, недостаточным диаметром шипов, чрезмерными ветровыми нагрузками, неравномерным распределением напряжений в результате неправильных углов установки и чрезмерными ударными силами, создаваемыми птицами во время взлета или приземления. В настоящее время имеется ограниченное количество исследований, специально посвященных проблеме деформации шипов в устройствах, отпугивающих птиц-. Принцип, по которому птичьи шипы не позволяют птицам садиться на них, основан на том факте, что эти шипы обычно изготавливаются из эластичных материалов. Видео взлета и приземления птиц,-снятые многочисленными орнитологами-, показывают, что когда птица приземляется на упругий объект, если этому объекту не хватает жесткости, чтобы поддерживать положение птицы, птица часто немедленно пытается снова взлететь; другими словами, птицы не сядут на предмет, который не может устойчиво выдерживать вес их тела.
На основе этого принципа можно рассчитать оптимальную длину птичьих шипов, обеспечивающую, чтобы при приземлении на них птицы шипы подвергались только упругой деформации под действием силы гравитации птицы. Если бы шипы подверглись пластической (постоянной) деформации, они больше не сохраняли бы свою первоначальную открытую конфигурацию и не смогли бы продолжать обеспечивать необходимую защиту.
В этой статье исследуется выбор подходящей длины шипов для отпугивателей птиц. Он начинается с анализа сил удара, возникающих во время взлета и приземления птиц, за которым следует анализ силы, необходимой для того, чтобы вызвать пластическую деформацию шипов из различных материалов, длины и диаметра. Целью данного исследования является создание теоретической основы для определения оптимальной длины шипов для систем отпугивания птиц.
1. Силы удара во время взлета и посадки птиц.
Поведение птиц при взлете и посадке можно разделить на два типа: те, которые включают разбег, и те, которые выполняются без него. Для птиц, которым требуется разбег, пространственные ограничения, присущие процессу взлета и приземления, делают маловероятной попытку приземлиться на-или взлететь с-конструкций, таких как птичьи шипы или опоры электропередачи. Следовательно, при анализе сил удара, связанных с взлетом и приземлением птиц, основное внимание следует уделять тем видам птиц, которые способны совершать полет и приземляться без необходимости разбега.
Существующие экспериментальные исследования, проведенные за рубежом, изучали продолжительность и скорость взлета птиц; однако они обычно не касаются посадочной скорости. По данным соответствующей литературы, продолжительность взлета птиц колеблется от 45 до 126 миллисекунд (мс). Для птиц, способных к прямому вертикальному взлету, принята репрезентативная продолжительность взлета 100 мс. Кроме того, скорость, которую достигает птица при отрыве от опорной поверхности, обычно составляет не менее 10 км/ч (приблизительно 2,78 м/с). На основе этих значений длительности и скорости взлета и с использованием уравнения (1) можно рассчитать среднее ускорение во время взлета, составляющее примерно 27,8 м/с².
Подставив эти значения длительности и скорости взлета в соответствующие уравнения, можно определить, что сила реакции, оказываемая опорным объектом на тело птицы во время взлета, примерно в 3,78 раза превышает собственный гравитационный вес птицы. На основании вышеупомянутых результатов исследований в качестве объекта экспериментальной проверки был выбран обыкновенный домашний голубь. Для количественного определения сил, оказываемых птицами на насесты во время взлета, было сконструировано экспериментальное устройство,-предназначенное для измерения этих сил во время взлета и приземления-, как показано на рисунке 1. Как показано на рисунке 1, устройство для измерения силы-состоит из двух пружин, стержня-насадки и испытательной платформы, которая поддерживает всю сборку. Пружины спроектированы так, чтобы быть как сжимаемыми, так и крутильно-гибкими; Основной принцип работы заключается в том, что силы, возникающие, когда птица приземляется на удочку или взлетает с нее, вызывают деформацию пружин. Путем последующего приложения внешней силы к системе,-откалиброванной для точного воспроизведения деформации, наблюдаемой во время взлета или приземления птицы,-можно точно определить величину силы, действующей птицей на стержень насеста.
Учитывая, что птицы редко совершают идеально вертикальный взлет или приземление,-обычно демонстрируя определенную степень наклона,-описанный выше метод, если применять его изолированно, не может напрямую отразить истинную величину сил, возникающих во время этих маневров. Следовательно, устройство, показанное на рисунке 1, потребовало модификации для обеспечения возможности мониторинга сил, возникающих во время наклонного взлета и приземления. Эту модификацию можно реализовать либо с помощью высокоскоростных-видеокамер, либо с помощью более простого и элементарного метода.
Более простой метод заключается в нанесении чернил на оба конца стержня окуня и подкладывании под него листа белой бумаги; Затем траектория полета птицы определяется путем анализа чернильных следов, оставленных на бумаге. В дальнейшем с помощью шкалы натяжения подтягивают удочку окуня в самую дальнюю точку этой траектории, измеряя тем самым максимальную силу, оказываемую птицей во время взлета или приземления. Особое внимание при измерении этой максимальной силы необходимо обратить на следующие детали: ориентация шкалы натяжения должна сохраняться как можно более параллельной траектории удочки, а точка приложения силы должна как можно ближе соответствовать конкретному месту, где птица стояла на удочке.
Из-за ограничений, налагаемых лабораторными условиями, в настоящем исследовании был использован более простой метод: на концы стержня наносились чернила, и-руководствуясь следами траектории, оставшимися после каждого взлета или приземления,-к стержню прилагалась сила, чтобы точно воспроизвести его конечное положение, наблюдаемое во время маневра птицы. Эта процедура позволила определить силы, действующие при взлете и посадке.
Кроме того, учитывая трудности, связанные с отловом и дрессировкой диких птиц, для облегчения проведения исследования в качестве подопытных были выбраны домашние голуби,-масса тела которых сравнима с массой тела обычных диких птиц среднего-размера-. Эксперименты с 20 взлетами и 20 приземлениями проведены на 10 домашних голубях массой от 202 до 345 г. В ходе экспериментов было замечено, что силы, действующие на опорный стержень, значительно различались у голубей разной массы. Чтобы устранить этот мешающий эффект, данные были нормализованы путем деления максимальной силы, зарегистрированной для каждого голубя, на соответствующую ему массу тела; следовательно, весь последующий анализ данных основывался на этом отношении силы, действующей на опорный стержень, к массе тела голубя.
Силы, оказываемые голубями на посадочную штангу во время взлета и приземления, были отдельно адаптированы к нормальному, экспоненциальному, Вейбуллову и логнормальному распределениям. Результаты показали, что данные о силе, записанные во время взлета, соответствовали нормальному распределению, тогда как данные о силе, записанные во время приземления, соответствовали логнормальному распределению.
Подобранная кривая плотности вероятности для нормального распределения взлетных данных показана на рисунке 2, а подобранная кривая кумулятивной вероятности показана на рисунке 3. Подобранное нормальное распределение дало среднее значение 3,5053 и стандартное отклонение 0,3253. Как видно из рисунка 3, кривая нормального распределения хорошо соответствует данным о силе, записанным во время взлета. Чтобы гарантировать, что силы, приложенные в последующих экспериментах, будут охватывать максимально широкий диапазон наблюдаемых данных, был использован метод двустороннего тестирования для построения двустороннего доверительного интервала с доверительным интервалом 95 %, как показано на рисунке 4. На рисунке 4 показано, что при доверительном уровне 95 % 99 % сил, оказываемых домашними голубями на посадочную штангу во время взлета, падают в пределах, в 4,6 раза превышающих их собственный вес.
Подобранная кривая плотности вероятности для логнормального распределения данных приземления показана на рисунке 5, а подобранная кривая кумулятивной вероятности показана на рисунке 6. Подобранное логнормальное распределение дало среднее значение 0,6097 и стандартное отклонение 0,2677. Как видно из рисунка 5, логнормальное распределение хорошо соответствует данным о силе, записанным во время приземления. Аналогичным образом, чтобы гарантировать, что силы, приложенные в последующих практических экспериментах, будут охватывать максимально широкий диапазон наблюдаемых данных, был использован метод двустороннего тестирования для построения двустороннего доверительного интервала с доверительным интервалом 95 %, как показано на рисунке 7. Как видно из рисунка 7, при доверительном уровне 95 % 99 % силы, оказываемой домашним голубем на посадочную насест во время спуска, приходится в пределах 3,8-кратной массы его собственного тела.
2 Выбор материалов и длины шипов для защиты от-птиц
В соответствии с требованиями к зоне действия противо-птичьих шипов, изложенными в *Рабочом руководстве «Шесть мер профилактики» на линиях электропередачи: Предотвращение опасности от птиц*, диаметр противо-птичьего шипа в полностью развернутом состоянии должен быть не менее 1,2 м. Длину самых крайних шипов можно выбрать от 65 до 70 см, промежуточных шипов - от 50 до 55 см, а самых внутренних шипов - от 40 до 45 см.
После определения длины шипов диаметр шипов-на основе прошлой практики-обычно устанавливается в пределах от 1,5 до 2,2 мм. Опираясь на данные раздела 1-, в которых установлено, что максимальные силы, оказываемые домашним голубем на шипы при взлете и приземлении, в 4,6 и 3,8 раза превышают массу его тела соответственно, был проведен сравнительный анализ с целью определить, будут ли шипы, изготовленные из различных материалов, подвергаться деформации под нагрузкой птицы массой 350 г (что представляет собой верхний предел массы типичного домашнего голубя). В рамках данного исследования испытания проводились с использованием обычно используемых стальных проволок марок 45#, 55# и 65#.
Учитывая конфигурацию узла защиты от-птичьих шипов в полностью развернутом состоянии, наиболее вероятная точка приземления птицы находится примерно на 10 см ниже кончика шипа. Для имитации более жестких условий во время испытаний приложенная сила была направлена в точку на 4 см ниже кончика шипа. Эта сила была приложена перпендикулярно шипу, аналогично приложению нагрузки к свободному концу консольной балки. Длины шипов определялись в соответствии с установленной методикой отбора; кроме того, чтобы учесть производственные допуски и однородность материала, приложенная испытательная нагрузка была увеличена на 20%, чтобы обеспечить достаточный запас прочности при выборе материалов шипов. Испытание считается успешным, если шип не демонстрирует пластической деформации при воздействии этой максимальной приложенной силы. Поскольку сила, действующая птицами во время взлета, больше, чем сила, действующая при приземлении, в качестве нагрузки, прикладываемой во время испытаний, была выбрана сила, в 1,2 раза превышающая взлетную силу,-а именно 18,66 Н-. Результаты испытаний стальной проволоки различного материала и длины, одинакового диаметра 1,5 мм, представлены в таблице 1; Результаты для проволок различного материала и длины, все с одинаковым диаметром 2,2 мм, представлены в таблице 2.
Как указано в Таблице 1, когда в качестве шипов для птиц используется стальная проволока диаметром 1,5 мм, шипы склонны к пластической деформации, когда птицы приземляются на них во время работы, что потенциально может привести к выходу из строя системы отпугивания птиц. Таблица 2 показывает, что когда для шипов для птиц используется стальная проволока диаметром 2,2 мм, шипы из стали 65 # не подвергаются пластической деформации ни при какой испытанной длине; кроме того, средние и короткие шипы из стали 55# также не подвергаются пластической деформации. Учитывая как надежность, так и-экономическую эффективность, рекомендуется изготавливать длинные шипы для птиц из стальной проволоки 65# диаметром 2,2 мм, средние шипы - из стальной проволоки 65# диаметром 1,5 мм, а короткие шипы - из стальной проволоки 55# диаметром 1,5 мм.
3. Заключение
В связи с отсутствием в настоящее время исследований сил, оказываемых птицами на опорные конструкции во время взлета и приземления, в этом исследовании было разработано специализированное испытательное устройство для измерения этих сил. Были проведены эксперименты с использованием домашних голубей для изучения сил, которые они оказывают на опорные конструкции во время взлета и приземления. Результаты показывают, что сила, действующая домашними голубями на опорную конструкцию, имеет нормальное распределение во время взлета и логарифмическое нормальное распределение во время приземления. При этом в 99% случаев сила, оказываемая домашними голубями на опорную конструкцию при взлете и приземлении, находится в пределах 4,6 и 3,8 массы их собственного тела соответственно.
В зависимости от конкретных диаметров шипов для птиц были проведены испытания нескольких часто используемых материалов шипов. На основании результатов эксперимента рекомендуется изготавливать длинные шипы для птиц из стальной проволоки 65# диаметром 2,2 мм, средние шипы - из стальной проволоки 65# диаметром 1,5 мм и короткие шипы - из стальной проволоки 55# диаметром 1,5 мм; такая конфигурация обеспечивает оптимальную экономическую-эффективность при сохранении необходимого уровня надежности. Представленная в этой статье методология исследования сил, оказываемых птицами на опорные поверхности во время взлета или приземления, служит ценным справочником для соответствующих исследований.