К. Шмидт-Ниельсен - Размеры животные почему они так важны (1035534), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Если теоретически блоха может прыгнуть в вакууме на высоту 2 м, а в воздухе она прыгает только на 0,53 м, то эффективность ее прыжка составляет0,27. В этом случае сопротивление воздуха поглощает з(4 энергии, используемой для прыжка (табл. 14.3). Таблица 14.3. Характервстикн прыжков, вычисленные для трех животных разного размера. Высота прыжка в вакууме прннята за 2 м. Эффективность прыжка представляет собой отношение высоты прыжка з воздухе (Ь,) к вмсоте прыжка в вакууме (й„е).
(Веппе1-С(аг(с, А!бег, 1979.) Эойектнвность прыжка 1за)звак1 Высота прыжка в воздухе гввк м Жнвотное Масса 0,3 мг 440 ыг 200 г 0,83 1,48 1,93 0,27 0,74 0,97 Блоха Кузнечик Галаго Кузнечик с массой тела 440 мг и эффективностью прыжка 4),74 расходует на сопротивления воздуха только '/4 энергии, затрачиваемой на прыжок. У галаго (небольшой полуобезьяны), являющегося, видимо, мировым рекордсменом по прыжкам,так как с места он может прыгнуть вертикально вверх на 2 м, эффективность прыжка составляет 0,97.
Другими словами, на преодоление сопротивления воздуха у него уходит только 34)е энергии, необходимой для прыжка. У более крупных животных сопротивление воздуха при прыжке практически не играет никакой роли. Почему галаго с места может прыгнуть выше, чем спортсмен? В хорошо контролируемых условиях галаго прыгал на 2,25 м (На11-Сгадйз, 1965). Маловероятно, что его мышцы развивают большую силу на 1 см' поперечного сечения, чем у других животных, и такие высокие показатели можно объяс- 197 Перемещение по земле: бег и прыжки нить только большей массой мышц, вовлекаемых в прыжок (больше энергии для сокращения при отрыве), и, возможно, более удачной механической структурой конечностей.
У галаго мышцы, вовлекаемые в прыжок, действительно велики и составляют около 107е массы тела (А!ехапдег, 1968); это вдвое больше, чем у человека. Если суммарно все механические приспособления у этого животного, высокоспециализированного в отношении прыжков, могут обеспечить 507е его показателей, то это в комбинации с удвоенной массой мышц может объяснить 3-кратное превышение показателей для галаго по сравнению с показателями для человека. Поскольку речь идет о прыжке с места, это производит большее впечатление, чем прыжок блохи.
Однако следует помнить, что галаго — это высокоадаптнрованное теплокровное животное, совершающее большие прыжки в естественных условиях обитания. Запасание упругой энергии На высоту прыжка накладывается ограничение, которое у мелких животных можно преодолеть только в результате изменения конструкции, с помощью которой осуществляется прыжок. Рассуждение несложно: чем мельче животное, тем короче расстояние, на котором ано развивает соответствующее ускорение (табл. 14.2), Для достижения необходимой скорости при отрыве, которая теоретически должна быть такой же, как у крупного животного, телу мелкого животного необходимо придать значительно большее ускорение.
Время, за которое должен произойти отрыв, очень невелико (табл. 14.2), и мышцы не могут сокращаться так быстро. Блоха развивает ускорение на расстоянии меньше ! мм, а время отрыва меньше 1 мс. Среднее ускорение во время отталкивания от земли должно, следовательно, превышать 200п. Следует на минуту задуматься, что означает подобное ускорение? Оно означает, что на животное действует сила, в 200 раз превы. шающая его вес (любае млекопитающее было бы полностью раздавлено такой силой), а скелет и внутренние органы насекомого должны переносить такие ускорения.
Если блоха для развития ускорения использовала бы только силу сокращения мышц, то она не могла бы прыгнуть совсем. Проблема решается использованием принципа катапульты. Энергия запасается в эластичном веществе — резилине, расположенном в основании задних конечностей. Мышцы сжимают резилнц, который, будучи каучукоподобным веществом, при включении спускового механизма отдает энергию почти со 100%-ной эффективностью. Упругая отдача очень похожа на принцип работы рогатки и дает блохе необходимое большое Глава 14 ускорение. Принцип запасания энергии в упругой системе используется для прыжков и у других мелких животных, например у жука-щелкуна. У более крупных животных, таких, как млекопитающие, необходимое ускорение сообщается непосредственно мышечным сокращением, поскольку время отрыва у них достаточно велико. Анализ принципов осуществления прыжка у разных животных дает превосходный пример положительных сторон и ограниченности рассуждений о влиянии размеров.
Простые рассуждения приводят нас к тому, что все животные независимо от их размеров должны быть способными прыгнуть на одну и ту же высоту. Для более мелких животных ограничением является сопротивление воздуха, поскольку у инх велико отношение площади поверхности тела к его массе. Прн бездумном применении соображений о влиянии размеров можно, однако, не заметить ограничений, накладываемых возможностями конструкции н выявляющихся у очень мелких животных. Без реконструкции механизма прыжка, в настоящем случае с использованием запасаиия упругой энергии, прыжок блохи был бы невозможен. 15.
Плавание и полет У бегающих по земле животных под ногами твердая опора, Жи. потные, которые плавают или летают, перемещаются в жидкой среде и не имеют твердой опоры. Их поддерживает та среда, в которой они движутся. Плотность рыб близка к плотности воды, а энергия, которую онн тратят на перемещение, идет на преодоление сопротивления среды. Летящая птица также должна преодолевать сопротивление среды, но, помимо этого, она должна удерживаться в воздухе и не падать на землю, т. е.
она должна развивать подъемную силу, равную весу ее тела. Рыбы Поскольку рыбы почти нейтрально плавучи, на поддержание своего тела в воде они либо не тратят энергйи, либо тратят ее очень мало. Однако для преодоления сопротивления среды энергия им необходима. Чтобы преодолеть сопротивление, рыба должна развивать тягу, равную ему по величине. На рыбу, движущуюся в воде, действуют два компонента сопротивления— один, связанный с давлением, а другой — с трением. Сопротивление трения можно представить как действие его на тонкую пластинку, которая движется в жидкости параллельно своей плоскости. Влияние давления можно представить как давление на пластинку, если ее перемещать в жидкости перпендикулярно ее плоскости.
Влияние давления трудно оценить точно. Оно возникает вследствие того, что во время движения вперед необходимо смещать воду, и определяется плоскостью миделя (т. е. проекцией тела на плоскость, нормальную по отношению к направлению движения) и формой тела. На хорошо обтекаемое тело, такое, как рыбы, давление влияет меньше, чем, скажем, на шар. С опротнвление трения — это сила, которая нужна для преодоления вязкости жидкости. Жидкость, которая непосредственно контактирует с поверхностью движущегося тела (пограничный слой), увлекается его движением, и это создает слой сдвига (т. е. появляется градиент скорости) в тонком слое жидкости„ прилегающем к движущемуся телу.
Сила, необходимая для Глава 15 преодоления вязкости, известна под названием сопротивления трения. Сопротивление трения 1),р можно вычислить из уравнения О, = — РЯ/'С,р, где р — плотность жидкости, о — площадь поверхности, У вЂ” ско- рость, ф— коэффициент сопротивления трения. Это уравнение основано на известном утверждении, что со- противление трения растет как квадрат скорости, что предпо- лагает постоянство коэффициента трения.
Это не так, посколь- ку С,р варьирует в зависимости от числа Рейнольдса, которое нам и следует ввести. Число Рейнольдса не имеет размерности, оно представляет собой отношение сил инерции к силам вязко- сти. Для ламинарного пограничного слоя С,р изменяется обрат- но пропорционально квадратному корню из числа Рейнольдса (Ие), которое в свою очередь прямо зависит от скорости О.
Если остальные переменные остаются неизменными, то с уве- личением числа Рейнольдса (и скорости) коэффициент сопро- тивления трения уменьшается до минимального значения. Если при высоких скоростях пограничный слой турбулентный, то ко- эффициент сопротивления также изменяется, на этот раз обрат- но пропорционально корню пятой степени из числа Рейнольдса. Сопротивление давления и сопротивление трения выража- ются сложными функциями, поэтому вычислить теоретически мо1цность, которую должны развивать рыбы разных размеров, плывущие с разными скоростями, исключительно трудно. Для хорошо обтекаемой рыбы общий коэффициент сопротивления Св будет примерно равен 1,2 С,р (рр'еЬЬ, 1978).
Какова энергетическая цена такого сопротивлеиияг Конечно, нам хотелось бы знать величину этой энергии в единицу време- ни, т. е. метаболическую мощность или интенсивность метабо- лизма. Мощность — это сила (в данном случае тяга), умножен- ная на скорость. Сопротивление — это сила и имеет размерность М(.Т-а. Скорость имеет размерность 1.Т '. Поэтому произведе- ние сопротивления на скорость имеет размерность М(.аТ-а, что представляет собой размерность мощности (работа в единицу времени), интенсивности метаболизма, или метаболической мощности.
Из предыдущего обсуждения мы знаем, что сопротивление пропорционально квадрату скорости (уа). умножая эту вели- чину на скорость, мы получаем, что метаболическая мощность, идущая на плавание, увеличивается как третья степень скоро- сти ((уа). Это простая физика явления. Обратимся теперь к реальной рыбе, Плавание в полет Плывущий лосось Потреалсннс ннслсрсан Уо 49 3 Мсюлм 103,5 М,слм .ол Уо 2056 М с'н'с о, Уо =353,9 Мсслсе Стандартный метаболизм !74 максимальной скорости 1/2 максимальной скорости 3/4 максимальной скорости Максимальная поддержи- ваемая скорость Уо 724,6 М с'м 14 Шюшт-Насльсев Наиболее подробно энергетика плавания рыб была исследована канадским ученым Дж.
Бреттом. Он измерял потребление кислорода у лососей массой тела от 3 до 1400 г в широком диапазоне скоростей движения. У него были и более крупные лососи, но они не помещались в аппарат, однако даже и в таком виде его данные охватывают величины, различающиеся почти на три порядка. Неудивительно, что более крупные лососи могут плыть быстрее мелких. С помощью уравнения, которое приводит Бретт (ВгеП, !955), вычисляется скорость плавания (( (см/с) по отношению к длине рыбы 1 (см): Ц 19 5(о,оо ЙЯ4 мы Другими словами, у лосося скорость плавания увеличивается как квадратный корень длины или как масса тела в степени 0,17. Это соотношение интересно нам в свете того, что мы узнаем далее о полете птиц. Бретт измерял потребление кислорода у лосося в состоянии покоя и при плавании с разными скоростями.
В качестве максимальной была выбрана такая скорость, которую рыба может поддерживать в течение 1 ч. Потребление кислорода определялн при этой скорости и при ряде более низких скоростей, составляющих '/4, !!з, '(4 максимальной установившейся скорости. Для сравнения определяли стандартный метаболизм или метаболизм покоя. Уравнения, которые связывают потребление кислорода с массой тела при этих разных скоростях, приведены в табл. 15.1. Таблица 15.!. Потребление квслорода (Уо,, мг Ос.ч-') по отношению к размерам тела (М„ г) у лосося при плаеавви с разными скоростями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
