Гидродинамики научат рыб быстро плавать

Гидродинамики научат рыб быстро плавать

В своем новом исследовании американские гидродинамики нашли основные физические параметры, которые определяют оптимальный режим плавания рыб и водных млекопитающих. Оказалось, что максимальная скорость достигается при минимальных усилиях, если отношение амплитуды колебания хвоста животного к длине его тела составляет от 10 до 30 процентов. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids.

Движение рыбы за счет хвостового плавника довольно хорошо оптимизировано: при минимальных тратах энергии они достигают максимальной скорости. До последнего времени считалось, что удается им это благодаря управлению безразмерным числом Струхаля, которое связывает скорость движения с частотой и амплитудой колебательных движений хвоста. Для того, чтобы тратить наименьшие усилия, эти значения не должны выходить за пределы диапазона от 0,2 до 0,4. В этом плавание рыб похоже на полет птиц: несмотря на то, что механизмы движения разные, они описываются практически одинаковым диапазоном чисел Струхаля.

В своей новой работе гидродинамики из США сделали вывод, что на самом деле скорость плавния определяется двумя параметрами: кроме числа Струхаля важным также является отношения амплитуды колебаний хвоста к длине тела, и более важным из них является второй. Для своего исследования ученые сделали оценки для соотношения безразмерных величин, определяющих динамику движения, и проверили их на простой экспериментальной установке (подробнее о ней рассказывается ниже), после чего сравнили полученные результаты с известными данными для разных видов водных животных: форели, нескольких видов дельфинов, черной акулы, плотвы и скумбрии.

Теоретические оценки показали, что при относительно маленьких скоростях, когда сила сопротивления прямо пропорциональна скорости, число Струхаля падает при возрастании скорости. Но когда величина скорости поднимается выше критической, сопротивление становится пропорцианально квадрату скорости и значение числа Струхаля выходит на постоянное значение в районе 0,3. При этом рыба перестает его контролировать: в таком режиме оно полностью определяется формой ее тела и вязкостью жидкости. Однако удалось показать, что при таком плавании скорость движения оказывается пропорциональна частоте колебаний хвостого плавника, а энергетические потери контролируются за счет изменения их амплитуды.

Для того, чтобы подтвердить сделанные оценки, гидродинамики собрали простую установку, в которой вместо рыбы использовался прямоугольный кусочек гибкой фольги. Его прикрепили к небольшому мотору, с помощью которого фольга совершала колебательные движения с определенной амплитудой, и поместили в поток жидкости. Одновременные измерения скорости жидкости, амплитуды и частоты колебаний фольги подвердили существование оптимального значения отношения амплитуды колебаний к длине тела в районе 25 процентов.

Диапазон нормированных амплитуды и частоты колебаний хвоста различных водных животных при плавании

Источник

Как плавают рыбы? Описание, фото и видео

Как плавают рыбы?

Рыба

Плаванье – самый древний способ передвижения живых существ. Этим способом движения владеет часть Бесхребетных, Амфибий, Рептилий, Млекопитающих, Птиц. И только представители класса Рыб вынуждены плавать все – поголовно. Ибо других шансов на передвижение в водной среде у них просто нет.

Чтобы целенаправленно передвигаться в водной среде, в процессе эволюции рыбы обзавелись целым списком приспособлений, начиная от формы тела и заканчивая органами, которые есть только у них. Сейчас мы по очереди разберем, чем Природа одарила одну из самых древних и многочисленных групп Хордовых.

Плавательный пузырь

Плавательный пузырь – основное «устройство», благодаря которому рыбы плавают. Но! Присутствует он только у костистых рыб. Поэтому сначала рассматриваем, как эксплуатируют этот орган Костистые рыбы, а потом интересуемся, каким образом передвигаются в водном пространстве Хрящевые.

Итак, плавательный пузырь – две разновеликие, полые «сосиски», разделенные перемычкой. Являются выростом пищевода. В процессе эволюции трансформировались в легкие, характерные для более развитых – амниотов, классов наземных животных.

Как работает плавательный пузырь?

Благодаря наличию плавательного пузыря рыба удерживается на нужной ей глубине. Механизм работы органа весьма прост. Вспомните закон Архимеда. Плавательный пузырь наполнен воздухом. Опускаясь ниже уровня, на котором масса рыбы совпадает с объемом вытесняемой ею воды, тело животного подвергается сжатию. Естественно, в этот момент сжатию подвергается и плавательный пузырь, из которого вытесняется воздух. Благодаря этому уменьшается объем вытесняемой рыбой воды. Баланс между весом рыбы и объемом вытесненной жидкости нарушается, что позволяет животному опуститься еще ниже.

Если рыба всплывает, то приближение к поверхности воды увеличивает количество газов, поглощаемых животным. Часть из них попадает в плавательный пузырь, расширяя его. Пузырь «распирает» тело животного, увеличивая объем вытесняемой воды. В результате этого действия удельный вес рыбы уменьшается, а ее саму буквально выталкивает на поверхность.

Итого, плавательный пузырь обеспечивает рыбе погружение, всплытие и нулевую плавучесть в режиме минимальных энергозатрат.

Как плавают хрящевые рыбы?

Типичный представитель класса хрящевых рыб – акулы. Они появились на Земле значительно раньше костистых рыб. Плавательного пузыря не имеют. Поэтому вынуждены постоянно двигаться, чтобы отрегулировать свое положение в толще воды. Даже во сне эти животные должны шевелить хвостом, иначе просто утонут, как это не парадоксально звучит по отношению к рыбам.

Форма тела, внешние покровы

Форма тела рыбы – еще одно приспособление к передвижениям в плотных, по сравнению с воздухом, водных массах. Тела животных, кроме придонных и глубоководных видов, веретенообразные, обтекаемые, которые создают минимальное сопротивление окружающей среде. Кроме того, не забываем про чешую, которая увеличивает скольжение, сокращая энергозатраты животного в процессе плаванья.

Опорно-двигательная система

Чтобы рыбы могли плавать, у них сформировалась кардинально новая – по сравнению с более древними миксинами и миногами, опорно-двигательная система. Во-первых, у рыб появились плавники. Пара грудных, брюшных. И по одному брюшному, спинному и хвостовому плавнику. Они «подвязаны» к мышцам, сокращения которых заставляет плавники изменять свое положение, генерируя движение. В результате этого животное может перемещаться в горизонтальной, вертикальной плоскости, разворачиваться.

Кроме плавников, движение поддерживается работой мышц туловища. Красные мышечные волокна задействованы в процессе длительного, монотонного плаванья. Белые мышечные волокна «включаются», когда нужен рывок, скорость, энергичное, но непродолжительное движение.

Прочие компоненты, обеспечивающие движение в водной среде

По сути, весь организм рыб приспособлен для передвижения и жизни в толще водных масс. Например, насыщение организма кислородом при помощи жабр, особенности размещения органов чувств, функционал пищеварительной, выделительной систем.

Да, и имейте в виду, обговаривая способность рыб к плаванью, следует учесть, что в водной среде именно эти животные достигли максимального уровня приспособления по сравнению с более примитивными формами. Следующим эволюционным шагом было создание организмов, которые «учились» ползать, ходить, летать. Одним из первых «мигрантов» на сушу стал Отряд Целикантовых рыб, представленный сегодня реликтовой латимерией.

Интересное видео о рыбах

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник



Как рыбы плавают?

Гермафродитизм у рыб

Плавать умеют очень многие существа на планете Земля: люди, собаки, бобры, утки, лягушки и даже слоны. Но так, как плавают рыбы, – не умеет ни одно существо, даже те, кто постоянно живет около водоёмов. Рыбы являются одними из самых древних живых существ, и за многие сотни лет они лучше всех приспособились к жизни под водой.

Для чего рыбам плавники?

Гермафродитизм у рыб

Тело рыбы сильно отличается от тела наземных животных и имеет специальные органы, помогающие жить и передвигаться под водой. Вместо рук и лап, у рыб есть плавники, с помощью которых они двигаются. Плавники делятся на: парные (грудные и брюшные) и непарные (хвостовой, анальный, спинной). Спинной и анальный плавники помогают рыбам удерживать вертикальное положение, грудные и брюшные плавники помогают двигаться вперед. Хвост у рыб выполняет несколько функций: при его помощи рыба может изменять направление движения (поворачивать влево и вправо), то есть играет роль руля, и двигаться вперед, работая как мотор на лодке.

Почему рыбы такие гладкие?

Тело рыбы имеет плавные, обтекаемые формы, поэтому сопротивление воды рыба практически не ощущает. Кроме того, кожа покрыта небольшими круглыми пластинками из костной ткани – чешуйками, они тоже помогают уменьшить сопротивление воды. Когда рыба плывет, ее хвост двигается из стороны в сторону и тело выполняет волновые движения.

Что такое плавательный пузырь?

Гермафродитизм у рыб

Самый интересный и необычный орган у рыб – это плавательный пузырь. Благодаря ему рыба может погружаться на дно и подниматься к поверхности воды. Располагается он в брюшной полости и занимает очень много места. Плавательный пузырь представляет собой мешочек, стенки которого состоят из мышц, кровеносных сосудов и соединительной ткани. Заполнен этот мешочек газом, состоящим из кислорода, углекислого газа, азота и так далее. Если рыбе нужно опуститься на дно, стенки пузыря сжимаются, количество газа уменьшается, и она погружается. При движении наверх все происходит наоборот: стенки расслабляются, воздух заполняет образовавшуюся полость и рыба поднимается в толще воды.

Не все виды рыб имеют плавательный пузырь. Некоторым морским обитателям, которые живут на большой глубине, пузырь заменяют либо большое количество жира, либо сильно развитая мускулатура. Жир, как и воздух, гораздо легче воды, поэтому глубоководные рыбы могут управлять перемещением тела благодаря ему. Таким рыбам приходится прилагать намного больше усилий, чтобы подняться или опуститься в толще воды.

Источник

Как рыбы плавают?

Все рыбы передвигаются с помощью плавания, а многие из них плавают целыми днями всю свою жизнь. Если бы человек столько плавал, он бы очень быстро устал. Но рыбы не устают, потому что у них есть приспособления, которые позволяют им обитать в воде.
По сравнению с воздухом вода — очень плотная среда обитания. С одной стороны, это удобно: она поддерживает тело, благодаря чему на это не нужно тратить свою энергию, а все силы можно направить на движение вперёд.
С другой стороны, плотная вода сопротивляется движению. У тела рыбы гладкая, обтекаемая форма, которая сильно уменьшает это сопротивление. А ещё кожа рыб покрыта небольшими пластинками — чешуйками. Они налегают друг на друга по направлению от хвоста к голове, и к тому же они покрыты скользкой слизью, отчего сопротивление становится ещё меньше. Наконец, сопротивление воды помогают преодолеть волнообразные движения тела, которые рыба делает во время плавания.
Движению в воде очень помогают и конечности рыбы — плавники. Тот, что расположен на спине (спинной), и тот, который находится на животе около хвоста (анальный), помогают рыбам не заваливаться на бок и удерживать тело вертикально в воде. Парные грудные и брюшные плавники загребают воду, как бы отталкиваются от неё и помогают рыбе двигаться вперёд. Хвостовой плавник (проще говоря, хвост) может работать и как руль, изменяя направление движения рыбы вправо-влево, и как мотор на лодке, проталкивая рыбу вперёд.
Чтобы продвигаться в определённом направлении, рыбе ещё нужно как-то не утонуть. Звучит удивительно, но на самом деле, тело рыбы тяжелее воды — а значит, стоит рыбе перестать плыть, она начнёт опускаться на глубину. Чтобы решить эту проблему, у рыбы есть специальное приспособление. Оно называется плавательный пузырь, и благодаря ему рыбы могут регулировать свою плавучесть. Когда пузырь наполняется воздухом, рыба плавает на поверхности (ведь воздух легче воды), а удалив воздух из пузыря, рыба может опуститься на глубину.
У некоторых рыб нет плавательного пузыря, и они обеспечивают плавучесть в основном за счёт мышечной активности. Поэтому, например, акулы не могут останавливаться — они всегда должны работать плавниками, чтобы держаться на плаву. За это у акулы отвечают грудные плавники, и плавает акула, приподняв тело вверх. Её печень содержит очень много жира — а он, как и воздух, легче воды. Такая печень почти как плавательный пузырь: она делает тело акулы легче, а значит, и более плавучим.
А плавать так долго и не уставать рыбам помогают разные типы мышц, которые есть в их теле: красные мышцы и белые мышцы. Красные мышцы отвечают за очень долгую и равномерную работу, они медленно сокращаются, мало утомляются и быстро восстанавливаются при интенсивных нагрузках. Для работы им нужно много кислорода. Белые мышцы гораздо более мощные, чем красные, они сокращаются очень быстро, но не могут работать на протяжении долгого времени. Они отвечают за короткие рывки и броски. Кислород им для работы практически не требуется. По соотношению красных и белых мышц в теле рыбы можно сделать вывод о характере ее движения: у сильных пловцов, проплывающих большие расстояния (например, совершающих длительные миграции), красной мускулатуры больше.
Очевидно, что, имея такие приспособления, плавать – это одно удовольствие.

Источник

Adblock
detector