Том 2 (1128366), страница 95
Текст из файла (страница 95)
Для теладанной формы сопротивление среды пропорционально площади егоповерхности. В связи с тем что у крупных животных отношение поверхноститела к его массе меньше, они испытывают меньшее сопротивление среды наединицу массы в сравнении с мелкими животными, для которых преодолениеэтого сопротивления обходится дороже в смысле затраты273Рис. 16-51.Влияние массы тела животного на энергетику передвижения. А.
Скоростьпотребления энергии на единицу массы тела в начале и в процессе перемещения укрупных и мелких животных, относящихся к близким видам. Б. Скоростьдвижения мелких и крупных животных во время ускорения и торможения.энергии. После того как движение начато, крупные животные при даннойскорости затрачивают меньше энергии на единицу массы в сравнении сродственными им мелкими животными (рис. 16-50, А). В воде эти различияпроявляются, конечно, гораздо сильнее, потому что вода, имея повышеннуювязкость и плотность по сравнению с воздухом, в большей мере препятствуетдвижению тела. Сопротивление среды имеет очень важное значение приплавании и полете, так как у плавающих животных возникают трудности в связис высокой вязкостью воды, а у летающих - из-за высокой скорости движения.Для бегающих животных сопротивление среды большого значения не имеет,поскольку их скорость бега невысока, равно как и вязкость воздуха. Указанныезависимости количественно выражаются числом Рейнольдса (дополнение 16-3).274273 :: 274 :: Содержание274 :: 275 :: 276 :: Содержание16.13.
Локомоция животных в воде, воздухе и на суше16.13.1. ПлаваниеЖивотные, обитающие в воде, например часть беспозвоночных, рыбы и морскиемлекопитающие, почти или совсем не нуждаются в опоре для собственного тела.Многие из них имеют плавательные пузыри, позволяющие им "зависать" наразной глубине, затрачивая совсем немного энергии. Однако, несмотря на то чтовысокая плотность воды обеспечивает им плавучесть, она одновременно создаствысокое сопротивление среды. Необходимость преодолевать одни и те жепрепятствия при движении в воде привела к конвергенции формы тела уморских млекопитающих и рыб. У большинства акул, костистых рыб идельфинов выработалась удивительно удачная обтекаемая (веретенообразная)форма тела. Причины этого достаточно очевидны даже на уровнеумозрительных заключений, но их можно осознать еще глубже, если привлечьпонятия, связанные с режимом потока.Легкость, с которой тело движется в воде, зависит, в частности, от режимапотока, устанавливаемого в данной среде.
Вода, прилегающая непосредственнок поверхности тела, движется с той же скоростью, что и тело, тогда как слойводы, находящийся вдали от поверхности тела, остается в покое. Если угасаниескорости жидкости происходит непрерывно и плавно по мере удаления отповерхности тела, поток в пограничном с этой поверхностью слое будетламинарным (рис. 16-52, А). При резких перепадах скорости движения жидкостивозникает турбулентный поток.
Исходя из закона сохранения энергии,давление и скорость в данной системе с подвижной средой обратнопропорциональны друг другу, т.е. чем выше скорость жидкости в данном месте,тем ниже давление. Поэтому два потока, протекающие вокруг тела с совершенноразными скоростями, будут вызывать вихревые токи, обусловленныевторичными изменениями характера движения жидкости между областямивысокого и низкого давления. Более того, чем выше вязкость среды илиотносительное движение между телом и окружающей его жидкостью, темзначительнее становятся сдвиговые силы, а следовательно, и тенденция системык возникновению турбулентности. Так как для турбулентного режима нужнаэнергия, то эффективность превращения метаболической энергии вмеханическое движение снижается.Если плывущее животное обладает длинным обтекаемым телом, то этоспособствует ламинарному потоку и сводит к минимуму зарождение вихревыхтоков жидкости.
Рыбы и морские млекопитающие, такие как тюлени, дельфины(морские свиньи) и киты, как и летающие птицы, имеют идеально обтекаемуюформу тела, обеспечивающую почти бестурбулентное скольжение в воде дажеприбольшихскоростях.Дополнительнымфактором,снижающимтурбулентность при движении этих животных, является эластичностьповерхности их тела. Она благоприятствует гашению небольших колебанийдавления воды, протекающей над поверхностью274Рис. 16-52.А. Поток вокруг движущемся тела. Из-за колебаний давления в потоке движениясквозь жидкую среду может создавать турбулентность. Ламинарный режимдвижения наблюдается в том случае, когда перепады давления а потокеминимальны. Чем крупнее тело и чем меньше "яркость жидкой среды, тем вышекритическая скорость потока, при которой возникает турбулентность.
Б.Зависимость между скоростью движения животных неодинакового размера исоответствующими числами Рейнольдса в логарифмических координатах. Мелкиеживотные, которые движутся медленно, характеризуются небольшими числамиРейнольдса. потому что при малых размерах тела главное значение имеютвязкостные силы среды. Более крупные животные движутся быстрее иобнаруживают высокие числа Рейнольдса в связи с тем. что при большихразмерах тела доминируют силы инерции, обусловленные большими размерамитела. (Рис. Б взят у Naclnigall. 1977.)тела, и тем самым уменьшает локальные перепады давления, ведущие кпоявлению турбулентности, которая требует затраты энергии.Движущие силы и силы, сдерживающие движение плывущей рыбы,показаны на рис.
16-53. Скорость плавания животного пропорциональнаотношению мощности животного к сопротивлению среды. Мощностьпропорциональна мышечной массе, и если считать, что последняяувеличивается с ростом общей массы тела, то мощность пропорциональна имассе тела. С другой стороны, для крупного животного сопротивление среды наединицу массы при данной скорости движения уменьшается с ростом массытела.
Дело в том, что если форма животного постоянна, то площадь поверхностиего тела и площадь поперечного сечения (они определяют силу сопротивления)возрастают пропорционально квадрату линейных размеров тела, а массаживотного (определяет развиваемую мощность) -Рис. 16-53.Силы, действующие на плывущую рыбу. Движущей силе хвостового плавника (F)противодействует сила сопротивления (Fв ).
Сила, развиваемая хвостовымплавником, приводит к возникновению сил. действующих в прямом (F a ) и боковом(F) направлениях. (Hildobrand, 1974.)275пропорционально их кубу. Таким образом, крупные водные животные могутразвить мощность, не пропорциональную силам сопротивления среды, и развитьболее высокую скорость, чем менее крупные животные с той же формой тела.Крупные рыбы и млекопитающие плавают быстрее, чем их более мелкиесобратья. Из-за больших сил сопротивления водной среды, а также в связи с тем,что эти силы увеличиваются пропорционально квадрату скорости движения,водные животные могли бы двигаться так же быстро, как летящая птица только втом случае, если они намного больше превосходят эту птицу по размерам тела имощности.Интересно заметить, что отношение развиваемой мощности ксопротивлению среды позволяет всем водным животным, какой бы размер телаони не имели, продвигаться в секунду на расстояние, превосходящее в 10-15 раздлину тела.
В таком случае парамеция разовьет скорость около 0,01 км·ч -1, атунeц — около 75 км·ч-1.276274 :: 275 :: 276 :: Содержание276 :: Содержание16.13.2. ПолетВ воздушной среде в отличие от водной выталкивающая сила совсем невелика.Поэтому все летающие представители животного мира должны преодолеватьгравитацию с помощью аэродинамической подъемной силы. Хотя влияниесопротивления среды увеличивается вместе с ростом скорости полета, все-такитребования к обтекаемости тела у птиц ниже по сравнению с рыбами попричине небольшой плотности воздуха.
Таким образом, благодаря развитиюотносительно низких сил сопротивления среды птицы в состоянии достичьгораздо большей скорости движения, чем рыбы. Генерация движущей силыполета, увлекающая птицу вперед, и подъемная сила, поднимающая ее вверх иудерживающая в полете, достигаются одновременно в результате взмахакрыльев, как показано на рис. 16-54.
Крыло движется вниз и вперед с угломатаки, обеспечивающим выталкивание воздуха вниз и назад. Создается тяга,направленная вверх и вперед, которая и обеспечивает движение в обоих этихнаправлениях, необходимое для преодоления соответственно силы тяжестиптицы и сопротивления среды.Форма тела рыб и птиц говорит нам о большом различии, существующеммежду физическими свойствами воды и воздуха, а также о биологическойдивергенции, ставшей следствием адаптации живых существ к этим двумнепохожим друг на друга средам обитания. Когда птица планирует, онавытягивается в длину, и расправленными крыльями создает отличнуюподъемную силу. Но, если бы это происходило в воде, очевидно, крыльясоздавали бы слишком большую помеху движению.
ИменноРис. 16-54.Силы, возникающие при взмахе крыла птицы. Показано крыло, находящееся встадии 3 (см. ниже) полетного цикла. Силы, связанные со взмахами крыльев,изображены цветными стрелками; сила тяжести, действующая на тело птицы черной стрелкой. С n (локальное или индуцированное сопротивление) равносопротивлению следствие действия подъемной силы;индуцированная тяга) дополняет С. (Xachtigall. 1977.)Тв(локальнаяилипоэтому у пингвина крылья превращены в короткие ласты и складываются вдольтела, когда птица скользит по инерции под водой. Так как силы сопротивления вводе намного выше, чем в воздухе, к такому скольжению в воде способны толькоживотные среднего и крупного размера. В воздухе, наоборот, парить(планировать) могут все летающие существа, кроме тех которые меньшестрекозы.
Такие крошечные насекомые, как мухи и москиты, должны постоянновзмахивать крыльями, чтобы держать направление полета, поскольку у нихочень мал момент инерции.276276 :: Содержание276 :: 277 :: 278 :: Содержание16.13.3. БегПри сравнении плавания, полета и бега в отношении их энергетической ценыдля данной массы тела и скорости движения животного (рис. 16-55) становитсяочевидным, что наиболее "дорогостоящей" является наземная локомоция (т. е.бег), а наименее — плавание.
Казалось бы не удивительно, что плавающая в водерыба расходует на передвижение меньше энергии, чем летящая в воздухе птица.Ведь276Рис. 16-55.Энергетическая цена разных типов локомоции (ккал·с -1 ·км-1 ).сравнительно мало зависит от вида организма. (Tucker, 1975.)котораярыба, как мы уже отмечали, близка к состоянию нейтральной плавучести, тогдакак птица, чтобы держаться в воздухе, должна тратить энергию. Но тогдапочему бег менее эффективен в смысле энергозатрат, чем плавание или полет?Превосходное рассмотрение этого вопроса можно найти в работе Такера (VanceA. Tucker, 1975). Он также объясняет, почему езда на велосипеде на данноерасстояние энергетически более выгодна в сравнении с бегом.
Бег отличается отезды на велосипеде, полета птицы и плавания рыбы характером работызадействованных мышц. Это различие лежит в основе низкого КПД бега. Вовремя бега двуногого или четвероногого животного центр тяжести (ЦТ) его теланеизбежно поднимается и опускается в такт движению. Сокращение мышц-разгибателей стоп и ног толкает тело вверх и вперед, ЦТ поднимается, однакомежду локомоторными толчками сила гравитации неумолимо тянет тело вниз кземле и тогда ЦТ опускается. Снижение КПД локомоции обусловлено тем, чтоантигравитационные мышцы-разгибатели, которые, сокращаясь, обеспечиваютподнятие ЦТ и перемещение его вперед, должны вдобавок препятствоватьопусканию ЦТ перед следующим шагом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
