Млекопитающие

Тема: Биомеханика полета – летающие мини-роботы.

Дата: 13.04. 2020 г.

Время: 16:10-16:55 / 17:10-17:55

Цель: - познакомиться с биомеханикой полета.

Задачи:

- изучить специфику полета птиц;

- познакомиться с особенностями локомоций млекопитающих;

- узнать про локомоцию рыб;

- познакомиться со спецификой полета насекомых.

Теория:

Здравствуйте, дорогие ребята!

На прошлых занятиях мы с вами знакомились со спецификой прыжка, узнали, как прыгают разные животные и как прыгают люди.

Сегодня мы с вами начнем знакомство со спецификой полета.

Узнаем, как же летают разные животные, какие у них для этого есть приспособления, как же им это удается – парить в воздухе и отрываться от земли?!

Для начала познакомимся с полетом птиц.

Наиболее важной морфологической адаптацией к воздушной среде следует считать крыло.

Крыло - это несущая плоскость, которая формируется маховыми перьями. На пальцах и запястьях находятся 11 маховых перьев 1-го порядка, а на предплечье - 12 маховых перьев 2-го порядка. Основу маховых перьев составляет жесткий стержень, к которому симметрично с двух сторон крепятся бородки, составляющие опахало.

Для того чтобы крыло генерировало подъемную силу, птица должна набрать стартовую скорость. Тогда воздушный поток распределяется относительно плоскости крыла таким образом, что под крылом создается повышенное давление воздуха.

Над верхней поверхностью крыла воздух движется быстрее, в результате чего возникает относительное разрежение. Возникает подъемная сила, которой птица манипулирует за счет изменения угла атаки, площади крыла, торможения хвостовыми перьями.

Поддерживается скорость движения в воздухе разными способами. Разные птицы развивают в воздухе различную скорость. Она зависит от размера и формы крыла, способности птицы менять форму крыла в процессе полета, от частоты взмахов крыльями, а также от способности птицы использовать энергию воздушных потоков.

Принято выделять несколько типов полета: машущий, планирующий (парящий), зависающий полет.

Машущий полет предполагает наличие у птицы коротких и умеренно широких крыльев и хорошо развитых грудных мышц, как, например, у голубя. Масса грудных мышц которых может достигать 30-40% от массы тела. Частота взмахов крыла у голубя составляет примерно 2 взмаха в 1 секунду, у более крупных птиц она реже. В качестве тормоза птицы используют хвост и частично крылья.

Планирующий полет. При планирующем полете птицы используют энергию движения воздушных потоков. Птицы имеют большую площадь крыла или за счет длины (фрегат), или за счет длины и ширины (орлы).

При планировании птицы крыло принимает максимальную длину и устанавливается в пределах плоскости движения под углом 90° по отношению к продольной оси тела.

При планировании птица перемещаются без потери высоты или даже набирают высоту при минимальных затратах энергии. Снижение при парении также возможно без дополнительных затрат энергии за счет нисходящих воздушных потоков.

У морских птиц (альбатросы, фрегаты) полет несколько отличается от планирующего полета птиц, обитающих на суше.

Альбатрос

Они имеют длинные и узкие крылья (у фрегата и альбатроса до 4 м) при довольно крупном теле.

Птицы пользуются порывами ветра, которые возникают над волнами. Используя встречные потоки воздуха, птицы набирают высоту. Затем они разворачиваются на 180° и на большой скорости планируют по ветру на отогнутых назад крыльях, теряя при этом высоту.

Далее следует разворот по широкой дуге с вынесенными вперед крыльями навстречу воздушному потоку. Подобные маневры доступны и сухопутным птицам. Но и альбатрос периодически парит над волнами за счет восходящих от поверхности воды потоков воздуха так же, как это делают сухопутные птицы.

Зависающий полет. Данный тип движений в воздухе представляется наиболее энергоемким. Чтобы оставаться на месте и не потерять высоту, птицы одновременно должны создавать большую подъемную силу и торможением гасить линейное продвижение.

В зависающем полете птицы производят махи крылом с большой частотой (порядка 50 взмахов в секунду). У таких птиц (пустельга, колибри) мышцы, приводящие в движение крыло, имеют очень большую массу.

Только грудные мышцы могут иметь массу, составляющую 1/3 от всей массы тела. Тяга создается работой легкого и очень подвижного крыла, в составе которого преобладают длинные и относительно жесткие маховые перья 1-го порядка. Маховых перьев 2-го порядка у птиц, пользующихся зависающим полетом, не 12, а всего 6.

А теперь давайте познакомимся с полетом насекомых.

Полёт насекомых намного больше, чем «простое летание». Воздушные трюки и маневры, которые выполняют насекомые, нельзя обнаружить ни у одного существа.

В своей книге «Биомеханика полета насекомых: форма, функции, создание» Роберт Дадли пытается объяснить, как на протяжении миллионов лет у некоторых насекомых образовались крылья и механизм полёта. Для полёта насекомым нужны высоко специализированные приспособления.

Биомеханические предпосылки полёта насекомых включают чрезвычайно сильные мышцы грудного отдела для генерации силы, подмышечный аппарат («плечи» насекомых) для того, чтобы преобразовывать эту силу, и сами крылья, которые превращают силу в полёт.

Звучит очень сложно, давайте лучше посмотрим видео, и увидим, как же насекомым удается летать.

В результате такой уникальной мускулатуры насекомые могут махать крыльями быстрее, чем птицы, которые имеют прямую мышечную систему. Мышечная система человека также прямая.

Оторвитесь на минуту от чтения и займитесь чем-нибудь другим. Вытяните руки в стороны на уровне плеч. А теперь делайте махательные движения руками так быстро, как только можете в течение пяти секунд. Если вам удастся сделать двадцать таких движений, это будет чудо! Насекомые же способны сделать за одну секунду до 1000 взмахов!!!

Они проделывают этот трюк благодаря своей уникальной мышечной системе, а также уникальному дизайну своего мозга. Сами мышцы получают немного команд из мозга. Когда человек машет руками, его мозг отдаёт команду каждому движению обеих рук. А вот мозг насекомого не должен думать о каждом взмахе крыла: ему нужно всего лишь инструктировать крыло тогда, когда необходимо начинать и заканчивать махание.

А теперь вспомните, что когда вы махали руками, вы, вероятно, не только выглядели смешно для окружающих, но вы также и быстро устали. А теперь представьте, что вы машете руками со скоростью в 200 раз в быстрее! Наверное, самый сильный человек свалился бы от изнеможения.

Эволюция крыльев насекомых и последующий полёт на самом деле представляют собой такое явление, которое эволюционисты не способны объяснить. Насекомые являются самыми лучшими летательными аппаратами - даже наиболее современные созданные человеком самолёты не могут сравниться с полётом насекомых.

Нет способа, с помощью которого у насекомых постепенно развился бы полёт, как нет и окаменелостей, которые бы свидетельствовали о каких либо переходных видах между летающими и нелетающими насекомыми. Летопись окаменелостей указывает на то, что если, к примеру, полёт и эволюционировал у насекомых, то это произошло очень быстро.

Однако, такое быстрое и сложное эволюционное продвижение невозможно, и более того, оно противоречит самой эволюционной теории. Все данные свидетельствуют о тщательно разработанном сложном дизайне, и подтверждают, что всё было создано полностью функциональным с самого начала.

Млекопитающие

Локомоции в воздушной среде у млекопитающих - явление редкое. Наиболее приспособлены к полету летучие мыши.

Эти животные неуверенно двигаются на земле (точнее, по вертикальным поверхностям деревьев, пещер), но виртуозно перемещаются в воздушном пространстве. Отдельные виды (например, длиннокрыл) развивают в полете на коротких дистанциях скорость до 35-40 км/час.

Летучие мыши, или рукокрылые, имеют летательную перепонку большой площади. Она представляет собой складку кожи между передними конечностями, туловищем и задними конечностями, а также между пальцами передних конечностей, туловищем и хвостом.

Приводят в движение летательную перепонку гипертрофированная грудная мускулатура и передние конечности. Среди летучих мышей в зависимости от строения летательных перепонок выделяют острокрылых, длиннокрылых, ширококрылых и тупокрылых летучих мышей.

Биомеханика движений летучих мышей в воздушной среде принципиально не отличается от таковой птиц.

Кроме летучих мышей, локомоции в воздушной среде доступны белкам-летягам, обезьянам и некоторым другим мелким животным, ведущим древесный образ жизни.

С ними мы уже знакомились, смотри тему «Полет белки – летяги»

Рыбы

Полет рыб - явление еще более редкое, чем полет млекопитающих. Однако его эффективность может быть сопоставима с полетом птиц.

Рыбы используют грудные плавники для планирования в воздухе. Так, летучие рыбы при испуге за счет броскового движения туловищных мышц, мышц хвостового стебля и интенсивной работы нижней лопастью хвостового плавника выскакивают из воды и пролетают в воздухе расстояния, позволяющие им избавиться от преследователей.

На поверхности воды летучая рыба достаточно продолжительно работает хвостом, развивая большую тягу, позволяющую ей преодолеть силу притяжения. Скорость полета этих мелких рыб превышает скорость движения преследователей (тунцы, меч-рыба), а пролетаемые ими расстояния достигают нескольких сот метров.

Другие виды рыб, например, пальцекрылы, могут не только парить, но и выполнять сложные маневры в воздухе. Пальцекрыл поднимается к поверхности воды и скользит по ней со скоростью 18 м/с. Такую высокую скорость рыба приобретает благодаря зигзагообразным движениям хвостового плавника с гипертрофированной нижней лопастью.

Скорость полета пальцекрыла сопоставима со скоростью движения современных морских судов и нередко составляет 60-70 км/час. Сильный удар хвоста поднимает рыбку в воздух на высоту 5-7 м. Пальцекрыл пролетает в воздухе до 200 м, используя при этом и воздушные потоки. Рыба способна при необходимости изменить направление полета за счет движений хвостового плавника. У нее также отмечены колебательные движения грудных плавников.