Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пингвин плавает под поверхностью воды, взмахивая крыльями, как в полете.
Пингвины плавают, «летая» под поверхностью воды.
Летучая рыба парит над поверхностью воды.
Летучие рыбы используют свои грудные плавники, чтобы парить над поверхностью воды.

Некоторые виды рыб и птиц могут перемещаться как в воздухе, так и в воде , двух жидких средах с очень разными свойствами. Жидкость представляет собой частная фазу вещества , которое деформируется под сдвиговыми напряжениями и включает в себя любой тип жидкости или газа . Поскольку жидкости легко деформируются и перемещаются в ответ на приложенные силы, эффективное перемещение в жидкой среде представляет собой уникальную задачу. Специфические морфологическиеСледовательно, у видов животных требуются характеристики, которые в первую очередь зависят от флюидного передвижения. Поскольку свойства воздуха и воды очень разные, плавание и полет имеют очень разные морфологические требования. В результате, несмотря на большое разнообразие животных, способных летать или плавать, лишь ограниченное число этих видов овладело способностью как летать, так и плавать. Эти виды демонстрируют четкие морфологические и поведенческие компромиссы, связанные с переходом от воздуха к воде и воды к воздуху.

Летающие птицы [ править ]

Из ныне живущих видов только насекомые , птицы и летучие мыши способны к истинному, продолжительному полету с двигателем. [1]

Аэродинамические принципы [ править ]

На диаграмме показана комбинация сил, действующих на крыло, которая позволяет создавать подъемную силу.
Комбинация сил, действующих на крыло, позволяет получить чистую силу, направленную вверх, что считается подъемной силой.

Чтобы птицы достигли полета, они должны сначала успешно преодолеть нисходящее притяжение гравитационных сил , создав подъемную силу . Согласно принципу Бернулли , более быстро движущаяся жидкость создает пониженное давление, чем та же жидкость, движущаяся с меньшей скоростью. Из-за внутренней асимметрии между верхней и нижней поверхностями крыльев птиц, также называемой изгибом , скорость воздушного потока над крылом выше, чем под ним, что приводит к большему приложению давления к нижней поверхности. Этот перепад давления создает на крыле чистую восходящую силу, позволяющую птице оторваться от земли, при условии, что восходящая сила превышает ее вес.

Чтобы осуществить полет на механизме, птицы, летящие вперед, должны противодействовать силам сопротивления , действующим против направления полета. Силы сопротивления, действующие на летающее животное, состоят из паразитного сопротивления фюзеляжа корпуса и индуцированного сопротивления крыльев, которые действуют против относительного направления полета. Регулируя угол атаки при постоянной частоте ударов крыльями, птицы могут направлять часть подъемной силы, создаваемой их крыльями, назад, создавая таким образом движущую силу, известную как тяга . [2]

Эволюция полета [ править ]

Основная статья: Происхождение птичьего полета

Есть много конкурирующих теорий, объясняющих эволюцию полета птиц. Наиболее широко распространенные теории включают:

  1. Обзорная модель : крылья эволюционировали как механизм стабилизации для прогрессивно более длинных прыжков на беговых двуногих.
  2. Древесная модель : самые ранние предки птиц были планерами, а не настоящими летчиками. Считалось, что древние предки птиц, как и современные белки-летяги, взбирались на деревья, а затем скользили вниз с их вершин.
  3. Модель Pouncing Proavis : Подобно древесной модели, эта модель предполагает, что ранние хищники атаковали сверху и развили крылья, чтобы помочь стабилизировать их спуск при нападении на добычу.
  4. Бег с помощью крыльев по наклонной поверхности (WAIR) : предполагает, что крылья эволюционировали для обеспечения дополнительной направленной вниз силы для увеличения тяги во время быстрого подъема по крутым склонам у цыплят. [3] [4]
  5. Новая ассоциация локомоторных модулей : теория, представленная Гейтси и Диалом в 1996 году, пытается объяснить, как птицы были способны развивать крылья, которые в конечном итоге привели к способности истинного полета. [3] Они вводят идею «локомоторных модулей» как анатомических групп (то есть двух ног), работающих вместе как единая функциональная нервно-мышечная единица для передвижения. Авторы предполагают, что ранние тероподы(эволюционные предшественники птиц) начались с одного локомоторного модуля, состоящего из двух задних конечностей, соединенных с хвостом. Со временем у этих животных развился второй локомоторный модуль, которым можно было управлять независимо: передние конечности, которые в конечном итоге превратились в функциональные крылья и в дальнейшем отделили функцию хвоста от задних конечностей, создав дополнительный (хвостовой) модуль. Такое разделение позволяет современным птицам иметь свободу независимо координировать свои три локомоторных модуля (крылья, ноги и хвост) новыми способами, что объясняет чрезвычайное разнообразие птичьих таксонов.

Адаптация [ править ]

Как и любая структура, сформированная естественным отбором , анатомия птиц эволюционировала, чтобы соответствовать поведению и образу жизни конкретного вида. Например, птицы, обитающие в густых лесах и требующие высокой маневренности и способности к точной посадке, обычно имеют форму крыльев и план тела, которые снижают устойчивость, что позволяет выполнять быстрые повороты и резкие ускорения. С другой стороны, морские птицы, как правило, длительное время летают на открытом воздухе, потому что суша отделена друг от друга на большом расстоянии, и плавание на поверхности воды может быть метаболически затратным из-за разницы температур между воздухом и морской водой. В результате крупные морские птицы в основном полагаются на парящий полет.потому что это позволяет этим животным достигать относительно непрерывного подъема без дополнительных метаболических затрат на взмахи крыльями. Поскольку во время динамического парения птицы летают под углом по отношению к ветру , они должны иметь возможность развивать скорость полета выше, чем этот встречный ветер. Следовательно, птицы, которые полагаются на динамическое парение, как правило, имеют низкую нагрузку на крыло и высокое удлинение . Другими словами, у летающих птиц есть форма крыльев, которая позволяет им вести себя больше как самолеты с неподвижным крылом и полагаться в основном на пассивное планирование. У альбатросов самый большой размах крыльев среди всех существующих птиц, что свидетельствует о том, что они в первую очередь полагаются на аэродинамику и полет на склоне.методы для достижения их чрезвычайно длительных схем миграции. [1]

Напротив, у парящих в тепловых условиях птиц, таких как стервятники Рюппеля , как правило, гораздо меньшая нагрузка на крылья и соотношение сторон. Поскольку наиболее быстро поднимающийся воздух происходит в центре термика , эти птицы оптимизируют свое поведение в полете, достигая очень малых радиусов поворота . Другими словами, у этих птиц крылья меньше по сравнению с массой тела, что делает их менее устойчивыми при планировании, но дает им гораздо большую маневренность, так что они могут выполнять очень крутые повороты. [1]

Плавающая рыба [ править ]

В то время как некоторые водные животные передвигаются, «гуляя» по дну океана или роясь в норах, преобладающим способом передвижения рыб является плавание, которое достигается за счет приложения силы к окружающей воде, что, согласно 3-му закону Ньютона , приводит к возникновению реактивной силы, которая толкает животное вперед. .

Гидродинамические принципы [ править ]

Подобно аэродинамике полета, плавание с двигателем требует, чтобы животные преодолевали сопротивление, создавая тягу. Однако, в отличие от летающих, плавающим животным не обязательно активно прилагать высокие вертикальные силы, потому что эффект плавучести может противодействовать нисходящему притяжению силы тяжести, позволяя этим животным плавать без особых усилий. Хотя существует большое разнообразие движений рыб, плавательное поведение можно разделить на два различных «режима», основанных на структурах тела, участвующих в создании тяги: срединно-парный плавник (MPF) и тело-хвостовой плавник (BCF). В каждой из этих классификаций существует множество спецификаций по спектру поведения от чисто волнового до полностью колебательного.основан. В волнообразных режимах плавания тяга создается волнообразными движениями движущей конструкции (обычно плавника или всего тела). Колебательные режимы, с другой стороны, характеризуются созданием тяги от поворота движительной конструкции на точке крепления без какого-либо волнообразного движения. [5]

Срединно-парный плавник [ править ]

Коробчатые рыбки - классический биологический пример плавания в MPF, потому что они плохо обтекаемы и используют в основном грудные плавники для создания толчков .

Многие рыбы плавают, используя сочетание двух грудных плавников или анального и спинного плавников. Различные типы походки с парными плавниками (MPF) могут быть достигнуты путем предпочтительного использования одной пары плавников по сравнению с другой, и включают: [5]

Волнистый [ править ]
  • Rajiform : наблюдается у скатов , скатов и мантий, когда толчок производится вертикальными волнами вдоль больших, хорошо развитых грудных плавников.
  • Diodontiform : движение достигается за счет распространения волн вдоль больших грудных плавников.
  • Amiiform : волнистость длинного спинного плавника, при этом ось тела остается прямой и стабильной.
  • Gymnotiform : волнистые формы длинного анального плавника, по существу перевернутого вверх ногами.
  • Balistiform : как анальный, так и спинной плавники волнистые.
Колебательный [ править ]
  • Тетрадонтиформ : спинной и анальный плавники хлопают как единое целое, либо синхронно, либо точно напротив друг друга. Океан Санфиши являются крайним примером этой формы локомоции.
  • Лабриформ : колебательные движения грудных плавников, которые могут быть классифицированы как основанные на сопротивлении или на подъемной силе, при которых движущая сила создается либо как реакция на сопротивление, возникающее при протаскивании плавников через воду при гребле, либо с помощью подъемных механизмов.

Тело-хвостовой плавник [ править ]

Воспроизвести медиа
Сардины используют движение «тело-хвостовой плавник», чтобы плавать и прижимать свои грудные, спинные и анальные плавники к телу, создавая более обтекаемое тело и уменьшая сопротивление.

Большинство рыб плавают, создавая волнообразные волны, которые распространяются вниз по телу через хвостовой плавник . Эта форма волнообразного передвижения называется плаванием с телом и хвостовым плавником (BCF) на основе используемых структур тела. [5] [6]

Волнистый [ править ]
  • Угловидная форма : наблюдаемая у угрей и миног , этот способ передвижения отмечен волнами всего тела на волнах большой амплитуды . В этом виде плавания BCF возможно как поступательное, так и обратное плавание.
  • Subcarangiform : похоже на anguilliform плавание, но с ограниченной амплитудой впереди, которая увеличивается по мере распространения волны назад , этот режим передвижения часто наблюдается у форели .
  • Карангиформная форма : волнистость тела ограничена задней третью длины тела с толчком, производимым жестким хвостовым плавником.
  • Thunniform : наиболее эффективный способ передвижения в воде . Тяга создается за счет подъема во время боковых движений, происходящих только в хвостовом плавнике. Этот способ передвижения развился при независимых обстоятельствах у костистых рыб , акул и морских млекопитающих .
Колебательный [ править ]
  • Остраковидный : тело остается жестким, а жесткий хвостовой плавникколеблетсяв виде маятника . Рыбы, использующие этот тип передвижения BCF, обычно полагаются преимущественно на режимы плавания MPF, а остракиформное поведение является лишь вспомогательным поведением.

Адаптация [ править ]

Подобно адаптации в полете птиц, поведение рыб при плавании можно рассматривать как баланс стабильности и маневренности. [7] Поскольку плавание BCF зависит от более каудальных структур тела, которые могут направлять мощную тягу только назад, эта форма передвижения особенно эффективна для быстрого ускорения и непрерывного движения. [5] [6]Таким образом, плавание BCF по своей природе стабильно и часто наблюдается у рыб с крупными схемами миграции, которые должны обеспечивать максимальную эффективность в течение длительных периодов времени. С другой стороны, движущие силы при плавании в режиме MPF генерируются множеством плавников, расположенных по обе стороны тела, которые могут быть скоординированы для выполнения сложных поворотов. В результате плавание MPF хорошо приспособлено к высокой маневренности и часто встречается у более мелкой рыбы, которая требует сложных схем ухода. [7]

Важно отметить, что рыбы не полагаются исключительно на один локомоторный режим, а скорее являются ломоторными «универсальными» [5], выбирая среди множества доступных поведенческих методов и комбинируя их. Фактически, на более медленных скоростях пловцы, преимущественно использующие BCF, часто используют движение грудных, анальных и спинных плавников в качестве дополнительного стабилизирующего механизма, но удерживают их близко к телу на высоких скоростях, чтобы улучшить обтекаемость и уменьшить сопротивление. [5] Рыбки данио даже наблюдали изменение своего локомоторного поведения в ответ на изменение гидродинамических воздействий на протяжении роста и созревания. [8]

Помимо адаптации локомоторного поведения, контроль эффектов плавучести имеет решающее значение для выживания в воде, поскольку водные экосистемы сильно различаются по глубине. Рыбы обычно контролируют свою глубину, регулируя количество газа в специализированных органах, которые очень похожи на воздушные шары. Изменяя количество газа в этих плавательных пузырях , рыбы активно контролируют их плотность. Если они увеличат количество воздуха в своем плавательном пузыре, их общая плотность станет меньше, чем у окружающей воды, а повышенное восходящее давление плавучести заставит рыбу подниматься, пока они не достигнут глубины, на которой они снова будут в равновесии с окружающей водой. . Таким образом, рыбы ведут себя, как воздушный шар в воздухе.

Плавающие птицы [ править ]

Некоторые виды морских птиц используют кормление с поверхности или ныряют во время кормления, когда сила тяжести и / или инерция используются для противодействия эффектам плавучести в течение короткого периода времени. Другие виды могут оставаться под водой в течение более длительных периодов времени и практиковать погружение с преследованием, в котором они активно создают тягу, чтобы оставаться в воде и преследовать добычу. Поскольку у птиц есть отдельные двигательные модули, водолазы-преследователи могут создавать тягу, используя свои крылья, ноги или их комбинацию.

Компромиссы [ править ]

Анатомия птицы в первую очередь приспособлена для эффективного полета. Виды птиц, которые полагаются не только на полет, но и на плавание, должны соответствовать конкурирующим требованиям полета и плавания. Морфологические характеристики, благоприятные в полете, на самом деле вредны для плавания. Например, птицы , которые используют свои крылья, чтобы плавать и летать, имеют самые высокие затраты на полет для своего размера тела из всех животных. [9] Напротив, птицы, которые используют свои ноги для плавания и являются более опытными летчиками, имеют более высокие затраты на плавание, чем ныряльщики с крыльями, такие как птицы и пингвины. [9]

По мере усиления постепенного уменьшения размера крыльев у птиц эволюция ласт у пингвинов происходила за счет их летных возможностей. Форма ограничивает функцию, и крылья ныряющих летающих видов, таких как кайра или пелагический баклан , не превратились в ласты. Ласты пингвинов становились толще, плотнее и меньше, но при этом были модифицированы с учетом гидродинамических свойств . [10]

Легкие кости

Скелетная система птиц стала чрезвычайно легкой с полыми воздушными пространствами, которые тесно связаны с дыхательной системой. Снижение веса тела в результате этих адаптаций очень полезно для уменьшения воздействия силы тяжести, что облегчает выполнение подъема. Однако плавающим птицам приходится бороться с повышенным эффектом плавучести из-за более легких костей и меньшей массы тела. Вместо этого ныряющие птицы увеличивают свою мышечную массу, что приводит к общему увеличению массы тела, что снижает эффект плавучести и облегчает погружение. Этот эффект в основном наблюдается у птиц, ныряющих на мелководье, поскольку эффект плавучести наиболее сильный. [ требуется разъяснение ] [11]Более высокая масса ныряющих птиц, по-видимому, коррелирует с более высокой нагрузкой на крылья и, следовательно, с более крупными крыльями. Более высокие скорости полета также являются результатом более высокой нагрузки на крыло, что может быть потенциально вредным для небольших летающих птиц, которым приходится приземляться именно на небольшие ветки. Однако ныряющие птицы не имеют этого ограничения, потому что открытая вода может приспособиться к более тяжелым посадкам.

Пингвины полностью утратили ограниченность легких костей и развили в своих крыльях более плотные и менее плавучие кости для силы и балласта. [10] Также считается, что балластом может служить проглатывание пингвинами мелких камней . Хотя тяжелый балласт предотвратит пассивное всплытие, Бон и др. предположили, что птице массой 12 кг потребуется балласт не менее 1,3 кг в гальке, чтобы достичь нейтральной плавучести на глубине 50 метров, что потенциально может сделать ее полезной для кормодобывания. [12]

Большие воздушные пространства

Подобно легкому костяку, у птиц также есть большие дыхательные системы с большими воздушными пространствами, которые снижают массу тела и обеспечивают более эффективный кислородный обмен, необходимый для высоких метаболических потребностей в полете. У птиц также есть специальные структуры, называемые воздушными мешками, которые тесно связаны с их легкими, которые накапливают воздух, когда животное вдохнет, что еще больше снижает вес тела и поддерживает парциальное давление кислорода в легких, равное парциальному давлению кислорода в легких, равном парциальному давлению кислорода в окружающей среде. Хотя это очень полезно для полета, уменьшение веса тела (и, следовательно, плотности всего тела) увеличивает силы плавучести и затрудняет поддержание глубины под водой. Было замечено, что плавающие птицы выдыхают перед погружением, уменьшая объем воздуха и, следовательно, общую плотность тела. [13]Другие исследования показали, что ныряющие птицы увеличивают запасы кислорода в крови, тем самым одновременно уменьшая количество кислорода, которое они должны удерживать в легких при нырянии, и позволяют им нырять на более длительное время. [11]

Оперение

Оперение птицы предназначено для удержания и отклонения воздуха, чтобы облегчить подъем в полете. Опять же, эта адаптация вредна для плавания, потому что увеличенный объем воздуха увеличивает силы плавучести. Было замечено, что некоторые ныряющие птицы прихорашиваются непосредственно перед погружением, и некоторые исследователи полагают, что это может вытеснить накопленный воздух и уменьшить объем воздуха, тем самым увеличивая общую плотность тела, уменьшая эффект плавучести и облегчая погружение. [14]

Поведение

Было замечено, что бакланы изменяют свое плавательное поведение с изменением плавучести тела. [15] Когда вес тела (и, следовательно, плавучесть) был искусственно изменен, горизонтально плавающие бакланы уменьшали угол наклона тела при добавлении дополнительного веса и увеличивали угол наклона при снятии веса. Когда добавлялся вес, достаточный для придания птицам отрицательной плавучести, птицы наклоняли свои тела вверх, так что толчок, создаваемый греблей задними конечностями, удерживал их от погружения. Другими словами, эти птицы могут динамически регулировать наклон своего тела, чтобы адаптироваться к изменению плавучести. Поскольку воздушные пространства сжимаются с увеличивающейся глубиной, ныряющие птицы должны быть способны адаптироваться к изменению плавучести во время погружения. Фактически, и кайры Брюнниха, иБелокрылые скутеры изменяют свое поглаживающее поведение во время погружения в качестве приспособления к изменению плавучести. [16] [17]

На основе лифта [ править ]

Тупики и плавают, и летают, используя подъемную силу, создаваемую их крыльями.

Некоторые водолазы-преследователи полагаются в основном на свои крылья для создания тяги во время плавания. К ним относятся птицы , ныряющие буревестники и пингвины . Производство тяги у этих животных осуществляется за счет подъемных механизмов, как и в воздушном полете. Эти птицы по сути «летают» под поверхностью воды. Поскольку они выполняют двойную роль в создании тяги как в полете, так и в плавании, крылья у этих животных демонстрируют компромисс между функциональными потребностями двух различных жидких сред.

Поскольку плотность воды намного выше, чем плотность воздуха, один и тот же ход крыла в любой среде вызовет большую тягу в воде. [1] В результате относительный размер крыльев у плавающих птиц, как правило, меньше, чем у птиц такого же размера, которые только летают. Морские птицы также, как правило, имеют более высокую, чем ожидалось, массу тела как механизм противодействия силам плавучести при погружении. Сочетание меньших крыльев и увеличенной массы тела приводит к более высокой нагрузке на крыло у этих птиц, что приводит к более высокой скорости полета. В то время как высокие скорости полета могут быть вредными для приземления летающих птиц на жердочки на деревьях, приземление с сильным ударом в воде имеет незначительные последствия. [16]

Было замечено, что птицы, которые для плавания полагаются на тягу, основанную на подъемной силе, используют более высокие частоты биений крыльев при полете, чем при погружении в воду и плавании. [16] Это наблюдение следует непосредственно из логики, согласно которой повышенная плотность воды создает большую тягу для аналогичных отклонений крыла, поэтому для данной скорости требуется меньшее количество ударов крыльев, чтобы создать идентичные итоговые значения тяги. [1] Также предполагается, что пловцы с подъемной силой имеют более высокую скорость плавания и большую метаболическую эффективность, чем пловцы с перетаскиванием, потому что они могут вытеснять большие объемы воды (таким образом, испытывая большую реактивную тягу) своими крыльями, чем птица сопоставимого размера может с ее ноги. [1] [17]

Не только птицы, которые используют свои крылья, используют подъемную силу, чтобы продвигаться по воде. Поганки вращают ногами таким образом, что возникает тяга, создаваемая подъемной силой. [18] [19] Этот стиль плавания позволяет птицам плавать быстрее и, вероятно, более эффективно, чем если бы они использовали обычные гребные движения. Ноги поганки имеют особую форму, напоминающую перья, а использование движущего механизма на основе подъемной силы предполагает конвергентную эволюцию. [19]

Многие птицы, приводимые в движение ногами, в том числе бакланы, могут использовать комбинацию подъемной силы и сопротивления во время различных фаз своего пропульсивного хода, где часто встречающаяся треугольная форма птичьих лапок может позволить птицам использовать такой же механизм генерирования силы, как дельта-крылья. [20] Это позволяет генерировать большие силы, но, вероятно, также более эффективно плавать, чем гребля, основанная исключительно на перетаскивании.

На основе перетаскивания [ править ]

Воспользовавшись тем фактом, что птицы могут свободно связывать любой из своих трех локомоторных модулей, некоторые водолазы-погонщики полагаются преимущественно на свои перепончатые задние конечности для создания тяги во время плавания и изолируют функцию крыльев от полета в воздухе. Водолазы-погонщики включают в себя некоторые виды уток . Подобно образцам, наблюдаемым у рыб, птичьи пловцы с перетаскиванием более маневренны, чем их коллеги с подъемной силой. В результате механизмы плавания на основе перетаскивания чаще встречаются у птиц, которые живут в эстуариях с большим количеством экологических препятствий, которых следует избегать.

Было замечено, что некоторые плавающие птицы используют разные двигательные механизмы на разных этапах погружения. [15] [16] Плавание, основанное на перетаскивании, чаще всего наблюдается у плавающих птиц во время фазы кормления (или дна) ныряния, поскольку оно обеспечивает большую маневренность для преследования добычи, в то время как более эффективные механизмы плавания на основе подъемной силы используются во время спуска. Было замечено, что кайры периодически используют плавание на основе подъемной силы во время фазы всплытия во время погружения, но в основном полагаются на силы пассивной плавучести, чтобы поднять их на поверхность. [16]

Нелетающие птичьи пловцы [ править ]

Нелетающих бакланов не может летать с его аномально маленькими крыльями, но это высокоэффективная пловец , используя свои задние конечности, создавая тягу

Вот некоторые примеры птиц, которые утратили способность летать в пользу водного образа жизни:

  • Пингвины : одна из наиболее приспособленных к плаванию птиц, пингвины плавают за счет подъемной силы, создаваемой их крыльями, и демонстрируют очень обтекаемую форму тела, которая снижает сопротивление.
  • Нелетающие бакланы : имеют очень маленькие крылья, не способные создавать достаточную подъемную силу для полета, и плавают за счет перетаскивания своих перепончатых задних конечностей.
  • Магелланова нелетающая утка-пароход
  • Фолклендская нелетающая утка-пароход
  • Белоголовая нелетающая утка-пароход
  • Бирюзовый цвет острова Окленд
  • Бирюзовый остров Кэмпбелл
  • Великий гагар
  • Манкалла
  • Гесперорниты

Летучая рыба [ править ]

Благодаря своим увеличенным грудным плавникам летучие рыбы могут подниматься на высоту, достаточную для того, чтобы парить над поверхностью воды.

Переход от преимущественно плавательного передвижения непосредственно к полету произошел в единственном семействе морских рыб под названием Exocoetidae.. Летучие рыбы не являются настоящими летчиками в том смысле, что они не летают на механизме. Вместо этого эти виды скользят прямо над поверхностью воды океана, даже не взмахивая «крыльями». У летучих рыб образовались аномально большие грудные плавники, которые действуют как крыловидные крылья и обеспечивают подъемную силу, когда рыба выпрыгивает из воды. Дополнительная прямая тяга и управляющие силы создаются путем погружения подкаудальной (то есть нижней) доли их хвостового плавника в воду и очень быстрой ее вибрации, в отличие от ныряющих птиц, у которых эти силы создаются тем же двигательным модулем, который используется для движения. Из 64 существующих видов летучих рыб существует только два различных строения тела, каждый из которых оптимизирует два разных поведения. [21] [22]

Компромиссы [ править ]

Строение хвоста

В то время как у большинства рыб хвостовые плавники имеют равные по размеру доли (т.е. гомокаудальные), у летучих рыб есть увеличенная вентральная доля (т.е. гипокаудальная), которая облегчает погружение только части хвоста обратно в воду для создания дополнительной тяги и управления. [22]

Большая масса

Поскольку летучие рыбы - это прежде всего водные животные, их плотность тела должна быть близка к плотности воды для устойчивости плавучести. Однако это основное требование для плавания означает, что летучая рыба тяжелее, чем другие обычные летуны, что приводит к более высокой нагрузке на крыло и соотношению подъемной силы к сопротивлению у летучей рыбы по сравнению с птицей сопоставимого размера. [21] Различия в площади крыла, размахе крыла, нагрузке на крыло и соотношении сторон были использованы для классификации летучих рыб на две отдельные классификации, основанные на этих различных аэродинамических конструкциях. [21]

План корпуса биплана [ править ]

В плане тела биплана или Cypselurus и грудные, и тазовые плавники увеличены, чтобы обеспечивать подъемную силу во время полета. [21] У этих рыб также есть «более плоские» тела, которые увеличивают общую площадь, производящую подъемную силу, что позволяет им «висеть» в воздухе лучше, чем более обтекаемые формы. [22] В результате такой высокой подъемной силы эти рыбы являются отличными планерами и хорошо приспособлены для увеличения дальности и продолжительности полета.

Для сравнения, у летающих рыб Cypselurus меньшая нагрузка на крылья и меньшее соотношение сторон (т.е. более широкие крылья), чем у их монопланов Exocoetus , что способствует их способности летать на большие расстояния, чем рыбы с этим альтернативным строением тела. Летучие рыбы с бипланной конструкцией используют преимущества своей способности производить большую подъемную силу при запуске из воды, используя "рулежное скольжение", при котором гипокаудальная лопасть остается в воде для создания тяги даже после того, как туловище отрывается от поверхности воды, а крылья поднимаются. открывается с небольшим углом атаки для создания подъемной силы. [21]

План корпуса моноплана [ править ]

В плане тела моноплана аномально большими только грудные плавники. Обратите внимание, что на этой иллюстрации тазовые плавники не слишком большие.

В плане тела Exocoetus или моноплана только грудные плавники увеличены для обеспечения подъемной силы. Рыбы с таким строением тела, как правило, имеют более обтекаемое тело, более высокие пропорции (длинные, узкие крылья) и более высокую нагрузку на крылья, чем рыбы с двухплоскостной формой тела, что делает этих рыб хорошо приспособленными для более высоких скоростей полета. Летучие рыбы с телом-монопланом демонстрируют отличное поведение при запуске от своих собратьев-бипланов. Вместо того, чтобы увеличивать продолжительность выработки тяги, рыба-моноплан запускается из воды на высоких скоростях под большим углом атаки (иногда до 45 градусов). [21] Таким образом, рыбы-монопланы используют преимущества своей адаптации к высокой скорости полета, в то время как рыбы с конструкцией бипланов используют свои возможности подъемной силы во время взлета.

См. Также [ править ]

  • Аук
  • Птичий полет
  • Передвижение плавников и ласт
  • Передвижение рыб
  • Динамика жидкостей
  • Летучая рыба
  • Летающая подводная лодка

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f Александр, Р. Макнил (2003) Принципы передвижения животных. Princeton University Press, Принстон, Нью-Джерси
  2. ^ Циферблата, КП, Biewner А.А., Tobalske, BW, и Уоррик, DR (1997) "Механическая мощность птичьего полета." Природа, 390, 67-70.
  3. ^ a b Гейтси, М. Стивен и Диал, Кеннет П. (1996). Двигательные модули и эволюция полета птиц. Эволюция 50 (1): 331-340.
  4. ^ Циферблат, Кеннет П., Рэндалл, Росс Дж., Циферблат, Терри Р. (2006). Какая польза от половины крыла в экологии и эволюции птиц? BioScience 56 (5): 437-445.
  5. ^ Б с д е е Sfakiotakis, Майкл, Дэвид М. Лейн и Дж Брюс К. Дэвис. (1999) Обзор способов плавания рыб для передвижения в воде. IEEE Journal of Oceanic Engineering 24, 2, стр. 237-252.
  6. ^ a b Блейк, RW (2004) Обзорная статья: Функциональный дизайн рыбы и плавание. Журнал биологии рыб 65, стр. 1193-1222.
  7. ^ a b Weihs, Daniel (2002) Стабильность по сравнению с маневренностью при движении в воде. Интегрированная и вычислительная биология , 42 : 127–134.
  8. ^ Мэтью Дж. И Джордж В. Лаудер. (2006) Otogeny формы и функции: Опорнодвигательный Морфология и Drag в данио рерио ( Danio rerio ). «Журнал морфологии». 267,1099-1109.
  9. ^ а б Эллиотт К.Х., Риклефс Р.Э., Гастон А.Дж., Хэтч С.А., Спикман Дж.Р., Даворен Г.К. 2013. Высокая стоимость полета и низкая стоимость погружений подтверждают биомеханическую гипотезу нелетающих пингвинов. PNAS 110: 9380-9384. [1]
  10. ^ a b «Почему пингвины перестали летать? Ответ эволюционный» . National Geographic News . 2013-05-21 . Проверено 18 декабря 2019 .
  11. ^ а б Ловворн, Джеймс Р. и Дэвид Р. Джонс. (1994) Биомеханические конфликты между адаптациями к дайвингу и воздушным полетам у эстуарных птиц. «Лиманы». 17 (1А), 62-75.
  12. ↑ Бон, Дэвид; Ле Бохек, Селин; Лукас, Фабрис; Готье-Клерк, Мишель; Ле Махо, Ивон (1 апреля 2009 г.). «Камни в желудке у птенцов королевских пингвинов» . Полярная биология . 32 (4): 593–597. DOI : 10.1007 / s00300-008-0558-1 .
  13. ^ Lovvorn, JR и Джонс, DR (1991). Масса тела, объем и плавучесть некоторых водных птиц и их связь с локомоторными стратегиями. «Канадский зоологический журнал». 69, 2888–2892.
  14. ^ Richman, SE и JR Lovvorn. (2008) Затраты на ныряние с помощью крыла и ступни в морской утке, белокрылом самокате. "J of Comp Physiol B" 178, 321-332.
  15. ^ a b Ribak, G., N. Klein, D. Weihs и Z. Arad. (2006) Адаптация подводного плавания к изменениям плавучести бакланов. "Си Джей Зоол". 84: 383-396.
  16. ^ a b c d e Ловворн, Джеймс Р., Дональд А. Кролл и Джеффри А. Лиггенс. (1999). Механические и физиологические детерминанты скорости плавания при нырянии с кайрами Брюнниха. «Журнал экспериментальной биологии». 202,1741-1752.
  17. ^ a b Ричман, С. Е. и Дж. Р. Ловворн. (2008) Затраты на ныряние с помощью крыла и ступни в морской утке, белом крылатом самокате. "J Comp Physiol B." 178, 321-32.
  18. ^ Йоханссон, Л. Кристоффер; Линдхе Норберг, Улла М. (2000). «Гребля на лифте в дайвинг-поганке». Природа . 407 (6804): 582–583. DOI : 10.1038 / 35036689 . PMID 11034197 . 
  19. ^ а б Йоханссон, Л. Кристоффер; Линдхе Норберг, Улла М. (2001). «Гребля на лифте в водолазной поганке». Журнал экспериментальной биологии . 204 (Pt 10): 1687–1696. PMID 11316488 . 
  20. ^ Йоханссон, Л. Кристоффер; Линд Норберг, Улла М. (2003). «Дельта-крыло перепончатых лап дает гидродинамическую подъемную силу для движения птиц при плавании». Природа . 424 (6944): 65–68. DOI : 10,1038 / природа01695 . PMID 12840759 . 
  21. ^ a b c d e f Fish, FE (1990) Конструкция крыла и масштабирование летучей рыбы с учетом летных характеристик. "Дж. Зоол. Лондон". 221, 391-403.
  22. ^ a b c Рыба, Фрэнк. (1991) На плавнике и молитве. "Ученые". 3 (1), 4-7.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Александр, Р. Макнил (2003) Принципы передвижения животных. Princeton University Press, Princeton, NJ ISBN 0-691-08678-8 
  • Фогель, Стивен (1994) "Жизнь в движущейся жидкости: физическая биология потока". Princeton University Press, Princeton, NJ ISBN 0-691-02616-5 (см. Особенно стр. 115–117 и стр. 207–216 для конкретных биологических примеров плавания и полета соответственно) 
  • Wu, Theodore, Y.-T., Brokaw, Charles J., Brennen, Christopher, Eds. (1975) «Плавание и полеты на природе: Том 2: Plenum Press, Нью-Йорк, NY ISBN 0-306-37089-1 (см. Особенно стр. 615–652 для более глубокого изучения плавания рыб и стр. 845–867 для более подробного ознакомления). анализ полета позвоночных) 

Внешние ссылки [ править ]

  • Веб-сайт лаборатории доктора Дж. Р. Ловворна, который исследует характеристики передвижения ныряющих птиц.
  • Веб-сайт лаборатории доктора Мэтта МакГенри, исследующего гидродинамику плавания при малых числах Рейнольдса.
  • Лаборатория жидкой жизни доктора Фрэнка Фиша, изучающего плавание морских млекопитающих
  • Базовое введение в основные принципы создания биологически вдохновленных плавательных роботов
  • Исследование для этой статьи в Википедии было проведено в рамках курса нейромеханики движения (APPH 6232), предлагаемого в Школе прикладной физиологии Технологического института Джорджии.
  • Веб-сайт лаборатории летной лаборатории Лундского университета, изучающей аэродинамику насекомых, птиц и летучих мышей.