Водное передвижение - Aquatic locomotion
_-_Obersee-Rapperswil-Holzbr%C3%BCcke_2011-05-28_15-56-08.JPG)
Водное передвижение - это биологически продвинутое движение в жидкой среде. Простейшие двигательные системы состоят из ресничек и жгутиков . Плавание несколько раз эволюционировало у ряда организмов, включая членистоногих , рыб , моллюсков , рептилий , птиц и млекопитающих .
Эволюция плавания
Плавание несколько раз развивалось по разным линиям. Предполагаемые окаменелости медуз встречаются в Эдиакарах , но первые свободно плавающие животные появляются в раннем и среднем кембрии . Они в основном связаны с членистоногими и включают аномалокаридид , которые плавают с помощью боковых долей, как современные каракатицы . Головоногие моллюски пополнили ряды нектонов в конце кембрия, а хордовые, вероятно, поплыли из раннего кембрия. Многие наземные животные сохраняют некоторую способность плавать, однако некоторые из них вернулись в воду и развили способность к водному перемещению. Однако большинство обезьян (включая людей) утратили инстинкт плавания .
В 2013 году Педро Ренато Бендер, научный сотрудник Института эволюции человека Университета Витватерсранда , предложил теорию, объясняющую потерю этого инстинкта. Названная гипотезой последнего общего предка Сачи (в честь Сачи , бразильского фольклорного персонажа, который не может преодолевать водные преграды), она утверждает, что потеря инстинктивной способности к плаванию у обезьян лучше всего объясняется ограничениями, связанными с адаптацией к древесной жизни у обезьян. последний общий предок обезьян. Бендер выдвинул гипотезу, что древние обезьяны все чаще избегали глубоководных водоемов, когда риск контакта с водой был явно выше, чем преимущества пересечения их. Уменьшение контакта с водоемами могло привести к исчезновению инстинкта собачьего весла .
Микроорганизмы
Бактериальный
Инфузории
Инфузории используют маленькие жгутики, называемые ресничками, для передвижения по воде. Одна инфузория обычно имеет от сотен до тысяч ресничек, которые плотно упакованы вместе в массивы. Во время движения отдельная ресничка деформируется, используя рабочий ход с высоким коэффициентом трения, за которым следует ход восстановления с низким коэффициентом трения. Поскольку на индивидуальном организме имеется множество ресничек, упакованных вместе, они демонстрируют коллективное поведение в метахрональном ритме . Это означает, что деформация одной реснички находится в фазе с деформацией ее соседки, вызывая волны деформации, которые распространяются по поверхности организма. Эти распространяющиеся волны ресничек позволяют организму скоординированно использовать реснички для движения. Типичным примером ресничного микроорганизма является Paramecium , одноклеточное мерцательное простейшее, покрытое тысячами ресничек. Биение ресничек позволяет парамециуму перемещаться по воде со скоростью 500 микрометров в секунду.
Жгутиковые
У некоторых организмов, таких как бактерии и сперма животных, есть жгутики, которые научились перемещаться в жидкой среде. Модель вращающегося двигателя показывает, что бактерии используют протоны электрохимического градиента для перемещения своих жгутиков. Крутящий момент в жгутике бактерий создается частицами, которые проводят протоны вокруг основания жгутика. Направление вращения жгутиков у бактерий определяется заполнением протонных каналов по периметру мотора жгутика.
Движение сперматозоидов называется подвижностью сперматозоидов . Середина сперматозоида млекопитающих содержит митохондрии, которые обеспечивают движение жгутика сперматозоидов. Двигатель вокруг основания создает крутящий момент, как у бактерий, движущихся в водной среде.
Псевдоподии
Движение с помощью псевдопода осуществляется за счет увеличения давления в одной точке на клеточной мембране . Это повышение давления является результатом полимеризации актина между корой и мембраной. По мере увеличения давления клеточная мембрана выталкивается наружу, образуя псевдопод. Когда ложноножка движется наружу, остальная часть тела тянется вперед за счет коркового напряжения. В результате клетки перемещаются в жидкой среде. Кроме того, направление движения определяется хемотаксисом . Когда хемоаттракция происходит в определенной области клеточной мембраны , полимеризация актина может начаться и переместить клетку в этом направлении. Прекрасным примером организма, использующего псевдоножки, является Naegleria fowleri .
Беспозвоночные
У лучников , медуз и их сородичей основной способ плавания - сгибание чашеобразного тела. Все медузы плавают свободно, хотя многие из них проводят большую часть времени в пассивном плавании. Пассивное плавание сродни скольжению; организм плавает, используя токи там, где это возможно, и не прилагает никакой энергии для управления своим положением или движением. Напротив, активное плавание требует затрат энергии на путешествие в желаемое место.
В билатерии существует множество способов плавания. В стрелках червей ( Chaetognatha ) волнистые их ребристое тело, а не в отличии от рыбы. Нематоды плавают волнообразными движениями тела без плавников. Некоторые группы членистоногих могут плавать, в том числе многие ракообразные . Большинство ракообразных, например креветки , обычно плавают на специальных плавательных ногах ( плеоподах ). Плавательные крабы плавают на модифицированных ходильных ногах ( переоподах ). Ракообразное дафния плавает, взмахивая усами.
Также существует ряд форм плавающих моллюсков . Многие свободно плавающие морские слизни , такие как морские ангелы , имеют структуры, напоминающие плавники. Некоторые моллюски с раковиной, такие как гребешки, могут ненадолго плавать, хлопая обеими раковинами, открывая и закрывая их. Моллюски, наиболее приспособленные для плавания, - это головоногие моллюски . Фиолетовые морские улитки используют плавучий плот из пенопласта, стабилизированный амфифильными муцинами, чтобы плавать на поверхности моря.
Среди Deuterostomia есть и несколько пловцов. Перья звезды могут плавать, раскачивая свои многочисленные руки. Beautiful Swim Feather Star en MSN Video . Сальпы движутся, прокачивая воду через свои студенистые тела. Наиболее развитые для плавания deuterostomes встречаются у позвоночных , особенно у рыб .
Реактивный двигатель
Реактивное движение - это метод передвижения в воде, при котором животные заполняют мышечную полость и выбрасывают воду, чтобы заставить их двигаться в направлении, противоположном струе воды. Большинство организмов оснащено одним из двух вариантов реактивного движения; они могут втягивать воду сзади и выталкивать ее сзади, например, медузы, или втягивать воду спереди и выталкивать ее сзади, например, сальпы. Заполнение полости вызывает увеличение массы и сопротивления животного. Из-за большой сужающейся полости скорость животного колеблется при движении по воде, ускоряясь при выталкивании воды и замедляясь при всасывании воды пылесосом. Несмотря на то, что этими колебаниями сопротивления и массы можно пренебречь, если частота циклов реактивного движения достаточно высока, реактивное движение является относительно неэффективным методом передвижения в воде.
Все головоногие моллюски могут двигаться за счет реактивного движения , но это очень энергоемкий способ передвижения по сравнению с хвостовым движением, используемым рыбами. Относительная эффективность реактивного движения снижается по мере увеличения размера животного. Со времен палеозоя, когда конкуренция с рыбой создавала среду, в которой эффективное движение было решающим для выживания, реактивное движение отошло на второй план, а плавники и щупальца использовались для поддержания постоянной скорости. Тем не менее, стоп-старт, обеспечиваемый реактивными двигателями, по-прежнему полезен для обеспечения высокоскоростных всплесков - не в последнюю очередь при поимке добычи или избегании хищников. Действительно, это делает головоногих моллюсков самыми быстрыми морскими беспозвоночными, и они могут обогнать большинство рыб. Кислородная вода попадает в полость мантии к жабрам, и в результате мышечного сокращения этой полости отработанная вода выбрасывается через гипоном , образованный складкой в мантии. Движение головоногих моллюсков обычно назад, поскольку вода вытесняется вперед через гипоном, но направление можно в некоторой степени контролировать, направляя его в разные стороны. Большинство головоногих моллюсков плавают (т.е. обладают нейтральной плавучестью ), поэтому им не нужно плавать, чтобы оставаться на плаву. Кальмары плавают медленнее, чем рыбы, но используют больше энергии для увеличения скорости. Снижение эффективности связано с количеством воды, которое кальмар может ускорить из своей мантии.
Медузы используют одностороннюю конструкцию водной полости, которая генерирует фазу непрерывных циклов реактивного движения, за которой следует фаза покоя. Эффективность Фруда составляет около 0,09, что указывает на очень дорогостоящий метод передвижения. Метаболические затраты на транспортировку медузы высоки по сравнению с рыбой такой же массы.
Другие реактивные животные имеют аналогичные проблемы с эффективностью. Морские гребешки , похожие на медузы, плавают, быстро открывая и закрывая свои раковины, которые втягивают воду и выталкивают ее со всех сторон. Это движение используется как средство спасения от хищников, таких как морские звезды . Впоследствии раковина действует как судно на подводных крыльях, противодействуя тенденции морского гребешка тонуть. Эффективность Фруда для этого типа движения низкая, около 0,3, поэтому он используется в качестве механизма аварийного спасения от хищников. Однако объем работы, выполняемой гребешком, снижается за счет эластичного шарнира, соединяющего две раковины двустворчатого моллюска. Кальмары плавают, втягивая воду в полость своей мантии и выталкивая ее через сифон. Эффективность их водометной двигательной установки по Фруду составляет около 0,29, что намного ниже, чем у рыбы той же массы.
Большая часть работы, выполняемой мышцами морского гребешка для закрытия его оболочки, сохраняется в виде упругой энергии в ткани абдуктина, которая действует как пружина, открывающая оболочку. Эластичность приводит к тому, что работа, выполняемая против воды, становится низкой из-за больших отверстий, в которые должна входить вода, и маленьких отверстий, которые должна оставлять вода. Инерционная работа водометного движителя также невелика. Из-за низкой инерционной работы экономия энергии, создаваемая эластичной тканью, настолько мала, что ею можно пренебречь. Медузы также могут использовать свою эластичную мезоглею, чтобы увеличить свой колокол. Их мантия содержит слой мышц, зажатый между эластичными волокнами. Мышечные волокна проходят вокруг раструба по окружности, в то время как эластичные волокна проходят через мышцу и по бокам раструба, чтобы предотвратить удлинение. После однократного сокращения колокол пассивно вибрирует на резонансной частоте, наполняя колокол. Однако, в отличие от гребешков, инерционная работа похожа на гидродинамическую из-за того, как медузы выталкивают воду через большое отверстие с низкой скоростью. Из-за этого отрицательное давление, создаваемое вибрирующей полостью, ниже положительного давления струи, а это означает, что инерционная работа мантии мала. Таким образом, реактивный двигатель показан как неэффективный способ плавания.
Рыба
Многие рыбы плавают в воде, создавая волнообразные движения своим телом или раскачивая плавниками . Волнистость создает компоненты прямой тяги, дополненной обратной силой, боковыми силами, которые являются потраченными впустую порциями энергии, и нормальной силой, которая находится между прямой и боковой силой. Разные рыбы плавают волнообразно разными частями своего тела. Угреобразные рыбы в ритмичной последовательности волнообразно изгибают все свое тело. У обтекаемых рыб, таких как лосось, хвостовые части тела волнообразны. Некоторые рыбы, такие как акулы, используют жесткие крепкие плавники, чтобы создавать динамическую подъемную силу и двигаться. Обычно рыбы используют более одной формы движения, хотя они демонстрируют один доминирующий способ плавания. Изменения походки наблюдались даже у молодых рифовых рыб различных размеров. В зависимости от своих потребностей рыба может быстро чередовать синхронные удары плавниками и чередовать их.
Согласно Книге рекордов Гиннеса 2009 года , Hippocampus zosterae (карликовый морской конек) является самой медленной рыбой с максимальной скоростью около 5 футов (150 см) в час. Они очень плохо плавают, быстро взмахивая спинным плавником и используя грудные плавники (расположенные за глазами) для управления. У морских коньков нет хвостового плавника .
Движение тело-хвостовой плавник (BCF)
- Угловидные: угловатые пловцы, как правило, медленно плавают. Они волнообразно движутся по большей части своего тела и используют голову как точку опоры для груза, который они перемещают. В любой момент во время их колебания амплитуда их тела колеблется в пределах 0,5–1,0 длины волны. Амплитуда движения тела позволяет им плыть назад. Угловидное передвижение обычно наблюдается у рыб с длинным тонким телом, таких как угри , миноги , веслообразные и некоторые виды сомов .
- Subcarangiform, Carangiform, Thunniform: эти пловцы волнообразно движутся в задней половине своего тела и намного быстрее, чем пловцы с англообразной формой. В любой момент, пока они плывут, длина волны <1 может быть видна в волнистой структуре тела. Некоторые пловцы Carangiform включают акул-медсестер, бамбуковых акул и рифовых акул. Пловцы Thunniform очень быстрые, и некоторые распространенные пловцы Thunniform включают тунца, белых акул, лосося, джеков и акул мако. Thunniform пловцов только волнистым их высокое соотношение сторон хвостовой плавник, таким образом , они, как правило , очень жесткой , чтобы толкать больше воды из пути.
- Остракиформные: остракиформные пловцы колеблют свою каудальную область, что делает их относительно медленными пловцами. Самшит, скаты-торпеды и мамочки используют остракиформное передвижение. Коровья-рыба использует осцилографическое передвижение, чтобы парить в толще воды.
Двигательная установка с парным срединным плавником (MPF)
- Tetraodoniform, Balistiform, Diodontiform: эти пловцы раскачивают свои срединные плавники. Они, как правило, медленно плавают, и некоторые известные примеры включают океаническую солнечную рыбу (у которой чрезвычайно модифицированы анальный и спинной плавники), рыба-фугу и спинорог.
- Rajiform, Amiiform, Gymnotiform: этот режим движения достигается за счет волнистости грудных и срединных плавников. Во время их волнистого рисунка в их плавниках можно увидеть длину волны> 1. Они, как правило, плавают от медленного до умеренного, и некоторые примеры включают скатов, луговых плавников и ножевых рыб. Черный призрак нож рыба является Gymnotiform пловцом , который имеет очень длинную вентральную ленту плавника. Тяга создается за счет прохождения волн по ленточному плавнику, в то время как корпус остается жестким. Это также позволяет рыбе-призраку плавать в обратном направлении.
- Лабриформ: пловцы-лабриформы также плавают медленно. Они качают грудными плавниками, чтобы создать толчок. Колеблющиеся ребра создают тягу, когда стартовый водоворот сходит с задней кромки киля. Когда фольга отходит от начального вихря, влияние этого вихря уменьшается, в то время как связанная циркуляция сохраняется, создавая подъемную силу. Лабриформное плавание можно рассматривать как непрерывно начинающееся и прекращающееся. Губаны и окуни для серфинга - обычные пловцы-лабриформы.
Подводные крылья
Подводные крылья или ласты используются для отталкивания от воды, чтобы создать нормальную силу, обеспечивающую толчок, продвигая животное по воде. Морские черепахи и пингвины бьют свои парные суда на подводных крыльях, чтобы создать подъемную силу. Некоторые парные плавники, такие как грудные плавники леопардовых акул, можно наклонять под разным углом, чтобы животное могло подниматься, опускаться или поддерживать свой уровень в толще воды. Уменьшение площади поверхности ребра помогает минимизировать сопротивление и, следовательно, повысить эффективность. Независимо от размера животного при любой конкретной скорости максимально возможная подъемная сила пропорциональна (площадь крыла) x (скорость) 2 . У дельфинов и китов есть большие горизонтальные хвостовые крылья на подводных крыльях, в то время как у многих рыб и акул есть вертикальные хвостовые крылья на подводных крыльях. Морские свиньи (наблюдаемые у китообразных, пингвинов и ластоногих) могут экономить энергию, если они двигаются быстро. Поскольку сопротивление увеличивается со скоростью, работа, необходимая для проплывания на единицу расстояния, больше на более высоких скоростях, но работа, необходимая для перепрыгивания на единицу расстояния, не зависит от скорости. Тюлени продвигаются по воде хвостовым хвостом, а морские львы создают толчок исключительно своими грудными плавниками.
Плавание на тормозах
Как и при движении через любую жидкость, трение возникает, когда молекулы жидкости сталкиваются с организмом. Столкновение вызывает сопротивление движущейся рыбы, поэтому многие рыбы имеют обтекаемую форму. Обтекаемые формы работают, чтобы уменьшить сопротивление, ориентируя удлиненные объекты параллельно силе сопротивления, таким образом позволяя течению проходить и сужаться к концу рыбы. Эта обтекаемая форма позволяет более эффективно использовать энергию передвижения. Некоторые рыбы плоской формы могут использовать сопротивление давлению, имея плоскую нижнюю поверхность и изогнутую верхнюю поверхность. Создаваемое сопротивление давления позволяет поднимать рыбу вверх.
Придатки водных организмов приводят их в движение по двум основным и биомеханически экстремальным механизмам. Некоторые используют плавание с подъемной силой, которое можно сравнить с полетом, когда придатки взмахивают, как крылья, и уменьшают сопротивление поверхности придатка. Другие используют плавание с тягой, которое можно сравнить с греблей на лодке веслами с движением в горизонтальной плоскости или греблей с движением в парасагиттальной плоскости.
Пловцы-дрэг-пловцы используют циклические движения, при которых они толкают воду назад в силовом гребке и возвращают конечность вперед в обратном или восстановительном гребке. Когда они толкают воду прямо назад, это перемещает их тело вперед, но когда они возвращают конечности в исходное положение, они толкают воду вперед, что, таким образом, в некоторой степени притягивает их назад и, таким образом, противодействует направлению движения тела. Эта противодействующая сила называется сопротивлением . Сопротивление обратного хода заставляет пловцов-дрэг-пловцов использовать разные стратегии, чем у пловцов-лифтеров. Уменьшение сопротивления при обратном ходе имеет важное значение для оптимизации эффективности. Например, утки гребут по воде, раздвигая паутины своих ног, когда они отводят воду назад, а затем, когда они возвращают ноги вперед, они стягивают свои паутины вместе, чтобы уменьшить последующее притяжение воды вперед. Ноги водяных жуков имеют маленькие волоски, которые расходятся, чтобы поймать и отвести воду обратно при силовом ударе, но лежат плоско, когда придаток движется вперед при обратном ударе. Кроме того, одна сторона ноги водяного жука шире других и удерживается перпендикулярно движению при толчке назад, но нога вращается, когда конечность возвращается вперед, поэтому более тонкая сторона улавливает меньше воды.
Пловцы-дрэг-пловцы испытывают меньшую эффективность при плавании из-за сопротивления, которое влияет на их оптимальную скорость. Чем меньше сопротивления будет испытывать рыба, тем больше она сможет поддерживать более высокие скорости. Морфология рыбы может быть разработана таким образом, чтобы уменьшить сопротивление, например обтекаемость тела. Стоимость транспортировки для дрэг-пловца намного выше, и при отклонении от своей оптимальной скорости он значительно больше энергетически напрягается, чем пловец-лифт. Существуют естественные процессы для оптимизации использования энергии, и считается, что корректировка скорости метаболизма может частично компенсировать механические недостатки.
У полуводных животных по сравнению с полностью водными животными наблюдается обострение сопротивления сопротивлению. Конструкция, позволяющая им работать вне воды, ограничивает эффективность, достижимую в воде. При плавании в воде на поверхности они подвергаются сопротивлению волнами и связаны с более высокими затратами, чем плавание под водой. Плавание под водой подвергает их сопротивлению из-за обратных ударов и давления, но в первую очередь трения. Сопротивление трения обусловлено вязкостью и морфологическими характеристиками жидкости. Сопротивление давления возникает из-за разницы в потоке воды вокруг тела, а также зависит от морфологии тела. Полуводные организмы сталкиваются с повышенными силами сопротивления как в воде, так и вне ее, поскольку они не приспособлены ни для одной среды обитания. Например, морфология выдр и бобров должна соответствовать потребностям обеих сред. Их мех снижает обтекаемость и создает дополнительное сопротивление. Утконос может быть хорошим примером промежуточного звена между пловцами с подъемником и сопротивлением, поскольку было показано, что у него есть гребной механизм, который похож на грудные колебания, основанные на подъеме. Конечности полуводных организмов зарезервированы для использования на суше, и использование их в воде не только увеличивает стоимость передвижения, но и ограничивает их режимами перетаскивания. Хотя они менее эффективны, пловцы-дрэг-пловцы способны создавать большую тягу на низких скоростях, чем пловцы-лифтеры. Они также считаются более маневренными из-за большой тяги.
Амфибии
У большинства амфибий есть личиночное состояние, унаследовавшее угловатое движение и связанный с ним хвост, от предков рыб. Соответствующие взрослые формы четвероногих, даже в подклассе Urodeles , сохраняющем хвост , иногда являются водными лишь в незначительной степени (как в случае рода Salamandra , хвост которого потерял пригодность для движения в воде ), но большинство Urodeles , начиная с тритоны гигантской саламандры Megalobatrachus сохраняют сжатый с боков хвост для жизни, которая в значительной степени является водной, которая может двигаться в форме караге.
Из бесхвостых земноводных ( лягушки и жабы подкласса Anura ) большинство во взрослой жизни являются водными организмами в незначительной степени, но в этом значительном меньшинстве, которые в основном водные, мы впервые сталкиваемся с проблемой адаптации бесхвостых животных. Конструкция тетрапода для водного движения. Режим, который они используют, не имеет отношения к режиму, используемому рыбами. Благодаря гибким задним ногам и перепончатым ступням они выполняют движения, близкие к движениям ног человека «брассом», но гораздо эффективнее, потому что ноги имеют более обтекаемую форму.
Рептилии
С точки зрения водной тяги, происхождение современных представителей класса Reptilia от архаических хвостатых амфибий наиболее очевидно в случае отряда Crocodilia ( крокодилы и аллигаторы ), которые используют свои глубокие, сжатые с боков хвосты в форме панциря. режим движения (см. Движение рыбы # Carangiform ).
Наземные змеи , несмотря на их «плохую» гидромеханическую форму с примерно круглым поперечным сечением и постепенным сужением кзади, при необходимости довольно легко плавают с помощью угловатой движущей силы (см. Передвижение рыб # Угловидная ).
Cheloniidae (настоящие черепахи ) нашли прекрасное решение проблемы плавания четвероногих, превратив свои передние конечности в ласты формы крыльев с большим удлинением, с помощью которых они имитируют двигательный режим птицы более точно, чем сами орлиные лучи. .
Плавник и движение ласт
Водные рептилии, такие как морские черепахи (см. Также черепахи ), и вымершие виды, такие как плиозавроиды, преимущественно используют свои грудные плавники, чтобы продвигаться по воде, и свои тазовые ласты для маневрирования. Во время плавания они двигают грудными ластами дорсо-вентральное движение , вызывая движение вперед. Во время плавания они вращают передние ласты, чтобы уменьшить сопротивление через толщу воды и повысить эффективность. Недавно вылупившиеся морские черепахи демонстрируют несколько поведенческих навыков, которые помогают ориентироваться в океане, а также определять переход от песка к воде. Если они вращаются в направлении тангажа, рыскания или крена, птенцы способны противодействовать силам, действующим на них, корректируя их грудными или тазовыми ластами и перенаправляя себя в открытый океан.
У млекопитающих отариды ( морские котики ) плавают в основном передними ластами, используя задние ласты для управления, а фокиды ( настоящие тюлени ) перемещают задние ласты в стороны, толкая животное по воде.
Побег реакции
Некоторые членистоногие, такие как омары и креветки , могут быстро двигаться назад, взмахивая хвостом, что известно как омар или каридоидная реакция бегства .
Разновидности рыб, такие как костистые, также используют быстрый старт, чтобы убежать от хищников. Быстрый старт характеризуется сокращением мускулов на одной стороне рыбы, изгибающей рыбу в С-образную форму. После этого на противоположной стороне происходит сокращение мышц, позволяя рыбе войти в состояние устойчивого плавания с волнами, движущимися вдоль тела. Сила изгибающего движения исходит от быстро сокращающихся мышечных волокон, расположенных в центральной части рыбы. Сигнал для выполнения этого сокращения исходит от набора клеток Маутнера, которые одновременно посылают сигнал мышцам на одной стороне рыбы. Клетки Маутнера активируются, когда что-то напугает рыбу, и могут быть активированы визуальными или звуковыми стимулами.
Быстрый старт делится на три этапа. Первый этап, называемый подготовительным ходом, характеризуется начальным изгибом до С-образной формы с небольшой задержкой, вызванной гидродинамическим сопротивлением. Вторая стадия, толчок, включает в себя быстрое изгибание тела в другую сторону, что может происходить несколько раз. Третий этап, фаза покоя, заставляет рыбу возвращаться к нормальному устойчивому плаванию, и волнообразные движения тела начинают прекращаться. Большие мышцы, расположенные ближе к центральной части рыбы, сильнее и производят больше силы, чем мышцы хвоста. Эта асимметрия в составе мышц вызывает волнообразные движения тела, которые возникают на стадии 3. Как было показано, после завершения быстрого старта положение рыбы имеет определенный уровень непредсказуемости, что помогает рыбе выжить против хищников.
Скорость, с которой тело может изгибаться, ограничена сопротивлением, содержащимся в инерции каждой части тела. Однако эта инерция помогает рыбе создавать движение в результате импульса, создаваемого против воды. Поступательное движение, создаваемое C-стартом, и в целом устойчивое плавание, является результатом отталкивания тела рыбы от воды. Волны волн создают обратный импульс против воды, обеспечивая толчок вперед, необходимый для продвижения рыбы вперед.
Эффективность
Эффективность силовой установки Фруда определяется как отношение выходной мощности к потребляемой мощности:
nf = 2 U 1 / ( U 1 + U 2 )
где U1 = скорость набегающего потока и U2 = скорость струи. Хороший коэффициент полезного действия для силовой установки в форме каранжеи составляет от 50 до 80%.
Сведение к минимуму сопротивления
Перепады давления возникают за пределами пограничного слоя плавающих организмов из-за нарушенного обтекания тела. Разница между поверхностями корпуса вверх и вниз по потоку заключается в сопротивлении давления , которое создает на объект силу вниз по потоку. С другой стороны, сопротивление трению является результатом вязкости жидкости в пограничном слое . Более высокая турбулентность вызывает большее сопротивление трения.
Число Рейнольдса (Re) является мерой взаимосвязи между инерционными и вязкими силами в потоке ((длина животного x скорость животного) / кинематическая вязкость жидкости). Турбулентный поток может быть обнаружен при более высоких значениях Re, когда пограничный слой отделяется и создает след, а ламинарный поток может быть обнаружен при более низких значениях Re, когда отрыв пограничного слоя задерживается, что снижает потерю следовой и кинетической энергии для противодействия движению воды.
Форма тела плавающего организма влияет на результирующее сопротивление. Длинные и тонкие корпуса уменьшают сопротивление давлению за счет обтекаемости, в то время как короткие круглые корпуса уменьшают сопротивление трения; следовательно, оптимальная форма организма зависит от его ниши. Плавательные организмы веретенообразной формы, вероятно, испытают наибольшее снижение как давления, так и сопротивления трения.
Форма крыла также влияет на величину сопротивления, испытываемого организмом, так как при различных методах гребка восстановление положения перед гребком приводит к накоплению сопротивления.
Высокоскоростная вентиляция барана создает ламинарный поток воды от жабр вдоль тела организма.
Выделение слизи на поверхности тела или добавление длинноцепочечных полимеров к градиенту скорости может уменьшить сопротивление трению, испытываемое организмом.
Плавучесть
Многие водные / морские организмы развили органы, чтобы компенсировать их вес и контролировать свою плавучесть в воде. Эти структуры делают их тела по плотности очень близкими к плотности окружающей воды. У некоторых гидрозоанов, таких как сифонофоры, есть газонаполненные поплавки; Наутилус, Сепия и Спирула ( головоногие моллюски ) имеют камеры с газом внутри раковин; и большинство костистых рыб и многие рыбы- фонарики (Myctophidae) снабжены плавательными пузырями . Многие водные и морские организмы также могут состоять из материалов с низкой плотностью. Глубоководные костистые кости, у которых нет плавательного пузыря, содержат мало липидов и белков, глубоко окостеневшие кости и водянистые ткани, которые поддерживают их плавучесть. Печень некоторых акул состоит из липидов низкой плотности, таких как углеводородный сквален или сложные эфиры воска (также встречаются у Myctophidae без плавательных пузырей), которые обеспечивают плавучесть.
Плавающие животные, которые плотнее воды, должны создавать подъемную силу или адаптироваться к бентическому образу жизни. Движение рыбы для создания гидродинамической подъемной силы необходимо для предотвращения погружения. Часто их тела действуют как подводные крылья , и эта задача более эффективна для плоских рыб. При небольшом угле наклона подъемная сила у плоской рыбы больше, чем у рыбы с узким телом. Рыбы с узким телом используют свои плавники как подводные крылья, в то время как их тела остаются горизонтальными. У акул гетероцеркальная форма хвоста направляет воду вниз, создавая противодействующую восходящую силу, толкая акулу вперед. Создаваемый подъем поддерживается грудными плавниками и положением тела под углом вверх. Предполагается, что тунцы в основном используют грудные плавники для подъема силы.
Поддержание плавучести метаболически дорого. Выращивание и поддержание органа плавучести, регулировка состава биологического состава и физическое напряжение, чтобы оставаться в движении, требуют большого количества энергии. Предполагается, что подъемная сила может создаваться физически с меньшими затратами энергии путем плавания вверх и скольжения вниз в режиме «подъем и скольжение», а не постоянное плавание на плоскости.
Температура
Температура также может сильно влиять на способность водных организмов перемещаться в воде. Это связано с тем, что температура влияет не только на свойства воды, но и на организмы в воде, поскольку у большинства из них есть идеальный диапазон, соответствующий их телу и метаболическим потребностям.
Q10 (температурный коэффициент) , коэффициент, на который скорость увеличивается при повышении температуры на 10 ° C, используется для измерения зависимости производительности организмов от температуры. У большинства из них скорость увеличивается по мере того, как вода становится теплее, но у некоторых есть ограничения на это, а другие находят способы изменить такие эффекты, например, за счет эндотермии или более раннего набора более быстрых мышц.
Например, было обнаружено , что Crocodylus porosus , или эстуарные крокодилы, увеличивают скорость плавания с 15 ° C до 23 ° C, а затем имеют максимальную скорость плавания с 23 ° C до 33 ° C. Однако производительность стала снижаться по мере того, как температура поднялась выше этой точки, показывая предел диапазона температур, при котором этот вид может идеально работать.
Погружение
Чем больше часть тела животного погружается в воду во время плавания, тем меньше энергии оно использует. Плавание на поверхности требует в два-три раза больше энергии, чем при полном погружении. Это происходит из-за носовой волны, которая образуется спереди, когда животное толкает поверхность воды во время плавания, создавая дополнительное сопротивление.
Вторичная эволюция
В то время как четвероногие потеряли многие из своих естественных приспособлений к плаванию, когда они эволюционировали на сушу, многие из них заново развили способность плавать или действительно вернулись к полностью водному образу жизни.
Преимущественно или исключительно водные животные неоднократно эволюционировали из наземных четвероногих: примеры включают земноводных, таких как тритоны , рептилии, такие как крокодилы , морские черепахи , ихтиозавры , плезиозавры и мозазавры , морских млекопитающих, таких как киты , тюлени и выдры , а также птиц, таких как пингвины . Многие виды змей также водные и всю жизнь живут в воде. Среди беспозвоночных у ряда видов насекомых есть приспособления к водной жизни и передвижению. Примеры водных насекомых включают личинок стрекоз , водных лодочников и ныряльщиков . Есть также водные пауки , хотя они, как правило, предпочитают другие способы передвижения под водой, чем собственно плавание.
Несмотря на то, что в первую очередь наземные четвероногие потеряли многие из своих приспособлений к плаванию, способность плавать сохранилась или восстановилась у многих из них. Возможно, он никогда не был полностью утерян.
Примеры: Некоторые породы собак плавают в развлекательных целях. Умбра, собака-рекордсмен мира, может проплыть 4 мили (6,4 км) за 73 минуты, что помещает ее в 25% лучших соревнований по плаванию на длинные дистанции среди людей. Рыбалка кошка является одним диких видов кошки , которая эволюционировала специальные приспособления для водной или пола-водной жизни - перепончатые цифры. Известно, что тигры и некоторые отдельные ягуары - единственные большие кошки, которые легко уходят в воду, хотя другие большие кошки, в том числе львы, были замечены плавающими. Некоторые породы домашних кошек также любят плавать, например, турецкий фургон .
Лошади , лоси и лоси - очень сильные пловцы и могут преодолевать большие расстояния в воде. Слоны тоже умеют плавать даже в глубокой воде. Очевидцы подтвердили , что верблюды , в том числе верблюда и Бактрии верблюдов, могут плавать, несмотря на то , что существует мало глубокая вода в их естественной среде обитания.
Плавать умеют как домашние, так и дикие кролики . Домашних кроликов иногда дрессируют плаванию в качестве циркового аттракциона. Известно, что дикий кролик поплыл во время очевидного нападения на лодку президента США Джимми Картера , когда ему угрожала естественная среда обитания.
Морская свинка (или свинка) отмечаются как имеющие отличную способность плавания. Мыши неплохо плавают. Они впадают в панику, когда их помещают в воду, но многие лабораторные мыши используются в водном лабиринте Морриса , в качестве теста для измерения обучаемости. Когда мыши плавают, они используют свои хвосты как жгутики и бьют ногами.
Многие змеи также отлично плавают. Крупные взрослые анаконды проводят большую часть времени в воде, и им трудно передвигаться по суше.
Многие обезьяны могут , естественно , плавать и некоторые, как хоботок обезьяны , крабоядной макак и макак резус плавать регулярно.
Человеческое плавание
Плавание было известно людям с доисторических времен; Самые ранние записи о плавании относятся к картинам каменного века, датируемым примерно 7000 лет назад. Соревновательное плавание началось в Европе около 1800 года и было частью первых современных летних Олимпийских игр 1896 года в Афинах , хотя и не по форме, сопоставимой с современными соревнованиями. Только в 1908 году Международная федерация плавания ввела в действие правила проведения соревнований по плаванию .