Жұқа қанаттар – су, ауа және басқа да сұйықтықтарда жылдамдық, бағытталған қозғалыс немесе тұрақтандыру үшін қолданылатын денеге қосымша мүшелер. Балықтарда пайда болды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Үлкен денеге немесе құрылымға бекітілген жұқа компонент немесе қосымша.
Thin component or appendage attached to a larger body or structure
Қанатша – үлкен денеге немесе құрылымға бекітілген жұқа компонент немесе қосымша. Қанатшалар көбінесе көтеру немесе итеру күшін тудыратын, немесе суда, ауада немесе басқа сұйықтықтарда қозғалғанда бағытталған қозғалысты басқаруға немесе тұрақтандыруға мүмкіндік беретін жалақтар ретінде жұмыс істейді. Сонымен қатар, жылу алмасу үшін бетін кеңейту мақсатында немесе әсемдеу үшін де қолданылады. Қанатшалар алғаш рет балықтарда қозғалыс құралы ретінде пайда болды. Балық қанаттары жылдамдау үшін және одан кейінгі қозғалысты басқару үшін қолданылады. Балықтар және киттер сияқты басқа су жануарлары көкпек және құйрық қанаттары арқылы өзін қозғап, бағыттайды. Жүзу кезінде олар тұрақтандыру және маневрлеуді жақсарту үшін арқа және анальді қанаттары сияқты басқа қанаттарын пайдаланады. Киттердің, иктиозаврлардың, метриоринхидтердің, мозазаврлардың және плезиозаврлардың құйрықтарындағы қанаттары – флюк деп аталады.
A fin is a thin component or appendage attached to a larger body or structure. Fins typically function as foils that produce lift or thrust, or provide the ability to steer or stabilize motion while traveling in water, air, or other fluids. Fins are also used to increase surface areas for heat transfer purposes, or simply as ornamentation. Fins first evolved on fish as a means of locomotion. Fish fins are used to generate thrust and control the subsequent motion. Fish and other aquatic animals, such as cetaceans, actively propel and steer themselves with pectoral and tail fins. As they swim, they use other fins, such as dorsal and anal fins, to achieve stability and refine their maneuvering. The fins on the tails of cetaceans, ichthyosaurs, metriorhynchids, mosasaurs and plesiosaurs are called flukes.
Көтергіштік қуатты өндіру
Фульга тәрізді қанаттар қозғалғанда итергіш күш тудырады, қанаттың көтерілуі суды немесе ауаны қозғалысқа келтіріп, қанатты кері бағытта итереді. Су жануарлары қанаттарын суда алға-артқа қозғалту арқылы маңызды итергіш күш алады. Көбінесе құйрық қанаты қолданылады, бірақ кейбір су жануарлары көкірек қанаттары арқылы итергіш күш тудырады. Турбиналар кері принцип бойынша жұмыс істейді, газдың немесе судың қозғалысынан айналу моментін және қуатты жасау үшін қанаттардың көтерілу күшін пайдаланады. Кавитация жоғары қуатты қолдануларда проблема тудыруы мүмкін, бұл винттерге немесе турбиналарға зақым келтіреді, сондай-ақ шуға және қуаттың жоғалуына әкеледі. Кавитация сұйықта теріс қысымның пайда болуынан туындайтын көпіршіктердің (қуыстардың) қалыптасуы және олардың кенеттен, күшпен жарылуы салдарынан пайда болады. Бұл айқын зақымдану мен тозуға себеп болуы мүмкін. Кавитация тунбаларды да баяулатады, бірақ мүлдем басқа себеппен. Дельфиндерден айырмашылығы, бұл балықтар көпіршіктерді сезінбейді, себебі олардың қанаттары сүйекті және жүйке ұштарынан құралмайды. Дегенмен, олар кавитациялық көпіршіктер қанаттарының айналасында бу қабатын құратындықтан, жылдам жүзе алмайды, бұл олардың жылдамдығын шектейді. Тунбаларда кавитацияға байланысты зақымдануларға ұқсас зақымдар табылды. Балықтар бірнеше қанатты пайдаланады, сондықтан әрбір қанаттың басқа қанатпен гидродинамикалық өзара әрекеттесуі мүмкін. Атап айтқанда, құйрық қанатының алдындағы қанаттар құйрық қанатындағы ағын динамикасына тікелей әсер ететін жақын орналасқан қанаттар болуы мүмкін. 2011 жылы зерттеушілер көлемді бейнелеу техникаларын қолданып, "еркін жүзіп жүрген балықтардың қозғалысынан туындайтын үш өлшемді құрылымдарды алғаш рет тікелей көруге мүмкіндік алды". Олар "құйрықтың үздіксіз соққылары бұрқасын сақиналарының тізбегін қалыптастыратынын" және "арқа және анальдық қанаттардың қозғалысы құйрық қанатының қозғалысымен шамамен келесі құйрық соққысының уақыт аралығында тез үйлесетінін" анықтады.
Foil shaped fins generate thrust when moved, the lift of the fin sets water or air in motion and pushes the fin in the opposite direction. Aquatic animals get significant thrust by moving fins back and forth in water. Often the tail fin is used, but some aquatic animals generate thrust from pectoral fins. Turbines work in reverse, using the lift of the blades to generate torque and power from moving gases or water. Cavitation can be a problem with high power applications, resulting in damage to propellers or turbines, as well as noise and loss of power. Cavitation occurs when negative pressure causes bubbles (cavities) to form in a liquid, which then promptly and violently collapse. It can cause significant damage and wear. Cavitation also slows tuna, but for a different reason. Unlike dolphins, these fish do not feel the bubbles, because they have bony fins without nerve endings. Nevertheless, they cannot swim faster because the cavitation bubbles create a vapor film around their fins that limits their speed. Lesions have been found on tuna that are consistent with cavitation damage. Fish use multiple fins, so it is possible that a given fin can have a hydrodynamic interaction with another fin. In particular, the fins immediately upstream of the caudal (tail) fin may be proximate fins that can directly affect the flow dynamics at the caudal fin. In 2011, researchers using volumetric imaging techniques were able to generate "the first instantaneous three dimensional views of wake structures as they are produced by freely swimming fishes". They found that "continuous tail beats resulted in the formation of a linked chain of vortex rings" and that "the dorsal and anal fin wakes are rapidly entrained by the caudal fin wake, approximately within the timeframe of a subsequent tail beat".
Қозғалыс бақылауы
Қозғалыс қалыптасқаннан кейін, оның өзі басқа қанаттардың көмегімен бақылана алады. Ұшақтар да қанаттары мен құйрық қанаттарының пішінін өзгертетін шағын арнайы қанаттар арқылы ұқсас нәтижеге жетеді. Тұрақтандыру қанаттары жебелер мен кейбір тікендерде, сондай-ақ кейбір бомбалардың, зымырандардың, ракеталардың және өздігінен қозғалатын торпедалардың арт жағында қолданылады. Олар әдетте жазық және кішкентай қанаттар пішіндес, бірақ кейде торлы қанаттар да қолданылады. Статикалық қанаттар сондай-ақ GOCE спутнигінде қолданылған.
Once motion has been established, the motion itself can be controlled with the use of other fins. Airplanes achieve similar results with small specialised fins that change the shape of their wings and tail fins. Stabilising fins are used as fletching on arrows and some darts, and at the rear of some bombs, missiles, rockets and self propelled torpedoes. These are typically planar and shaped like small wings, although grid fins are sometimes used. Static fins have also been used for one satellite, GOCE.
Температураны реттеу
Инженерлік қабыршақтар жылуды беру қабыршақтары ретінде жылу шығырғыштардағы немесе қабыршақты радиаторлардағы температураны реттеу үшін де қолданылады.
Engineering fins are also used as heat transfer fins to regulate temperature in heat sinks or fin radiators.
Эволюция
Көне анатомист Карл Гэггенбаур ұсынған, бірақ ғылым оқулықтарында көбінесе ескерілмейтін бір теория бар: «Қанаттар мен (кейінірек) аяқ-қолдар жойылған омыртқалы жануарлардың жаңғаларынан пайда болған». Бұл туралы нақты қорытынды жасауға қазба деректерінің жетіспеуі кедерес келтірді. 2009 жылы Чикаго университетінің зерттеушілері «жаңғалардың, қанаттардың және аяқ-қолдардың генетикалық құрылымы бірдей» екенін және «жануарлардың кез келген мүшесінің қаңқасы, мүмкін, акулаларда жаңғалардың қалыптасуына байланысты қалыптасқан генетикалық бағдарламамен анықталады» деген тұжырымға келді. Соңғы зерттеулер жаңқа доғалары мен жұпталған қанаттардың сериялық гомологтар екенін, демек қанаттар жаңға тіндерінен дамуы мүмкін екенін көрсетеді. Балықтар – барлық сүтқоректілердің, бауырымен жорғалаушылардың, құстардың және қосмекенділердің ата-тегі. Атап айтқанда, құрлықта тіршілік ететін төрт аяқты жануарлар (тетраподтар) балықтардан пайда болып, 400 миллион жыл бұрын құрлыққа алғашқы қадамдарын басқан. Олар қозғалыс үшін жұпталған кеуде және жамбас қанаттарын пайдаланған. Кеуде қанаттары алдыңғы аяқтарға (адамда – қолдарға), ал жамбас қанаттары артқы аяқтарға айналды. Төрт аяқты жануарлардың аяқ-қолдарын құрастыратын генетикалық механизмдердің көп бөлігі балықтың жүзу қанатында да кездеседі. 2011 жылы Австралиядағы Монаш университетінің зерттеушілері «жамбас бұлшық еттерінің эволюциясын зерттеп, төрт аяқты жануарлардың артқы аяқтары қалай дамығанын анықтау үшін» әлі тірі өкпелі балықтарды пайдаланды. Чикаго университетінің зерттеулері бойынша, құрлықта жүретін өкпелі балықтар төрт аяқты жануарлардың жүріс-тұрысының ерекшеліктерін қалыптастырған. Конвергентті эволюцияның классикалық мысалы ретінде птерозаврлардың, құстардың және жарықшандардың кеуде мүшелері өздігінен дамып, ұшу қанаттарына айналды. Ұшу қанаттарында да жүруге арналған аяқтармен көптеген ұқсастықтар бар, ал кеуде қанатының генетикалық жоспарының негізгі аспектілері сақталған. 200 миллион жыл бұрын алғашқы сүтқоректілер пайда болды. Бұл сүтқоректілердің бір тобы шамамен 52 миллион жыл бұрын теңізге қайта орала бастады, осылайша айналым аяқталды. Бұл – киттер (киттер, дельфиндер және порпоизалар). Жақында жасалған ДНК-талдаулар киттердің тікбас сүтқоректілердің ішінде дамығанын және олардың жаябалуанмен ортақ ата-тегі бар екенін көрсетті. Шамамен 23 миллион жыл бұрын аюға ұқсас құрлық сүтқоректілерінің тағы бір тобы теңізге қайта орала бастады. Бұл – ескектер. Киттер мен ескектердің аяқ-қолдары өздігінен, кері конвергентті эволюцияның нәтижесінде жүзуге арналған жаңа қанаттарға айналды. Алдыңғы аяқтары қанатқа, ал артқы аяқтары екі қанатпен аяқталатын құйрыққа айналды, киттерде бұл құйрық деп аталады. Балықтардың құйрықтары көбінесе тік болып, жақтан жаққа қозғалады. Киттердің құйрықтары көлденең және жоғары-төмен қозғалады, себебі киттердің тікенектері басқа сүтқоректілердің тікенектері сияқты иіледі. Ихтиозаврлар – ежелгі дельфиндерге ұқсас бауырымен жорғалаушылар. Олар 245 миллион жыл бұрын пайда болып, 90 миллион жыл бұрын жоғалып кетті. «Жерде тіршілік еткен ата-тегі бар бұл теңіз бауыры балықтарға соншалықты ұқсас болғандықтан, оның арқалық қанаты мен құйрығы дәл орналасқан және гидрологиялық тұрғыдан дұрыс құрылымдалған. Бұл құрылымдардың ерекшелігі – олар ештеңеден пайда болған, себебі жердегі байырғы жорғалаушылардың арқасында дөңес немесе құйрығында алдыңғы қатарда қызмет ететін пышақ болған жоқ». Биолог Стивен Джей Гулд ихтиозаврды конвергентті эволюцияның өзіне ең ұнайтын мысалы деп атады.
There is an old theory, proposed by anatomist Carl Gegenbaur, which has been often disregarded in science textbooks, "that fins and (later) limbs evolved from the gills of an extinct vertebrate". Gaps in the fossil record had not allowed a definitive conclusion. In 2009, researchers from the University of Chicago found evidence that the "genetic architecture of gills, fins and limbs is the same", and that "the skeleton of any appendage off the body of an animal is probably patterned by the developmental genetic program that we have traced back to formation of gills in sharks". Recent studies support the idea that gill arches and paired fins are serially homologous and thus that fins may have evolved from gill tissues. Fish are the ancestors of all mammals, reptiles, birds and amphibians. In particular, terrestrial tetrapods (four legged animals) evolved from fish and made their first forays onto land 400 million years ago. They used paired pectoral and pelvic fins for locomotion. The pectoral fins developed into forelegs (arms in the case of humans) and the pelvic fins developed into hind legs. Much of the genetic machinery that builds a walking limb in a tetrapod is already present in the swimming fin of a fish. In 2011, researchers at Monash University in Australia used primitive but still living lungfish "to trace the evolution of pelvic fin muscles to find out how the load bearing hind limbs of the tetrapods evolved." Further research at the University of Chicago found bottom walking lungfishes had already evolved characteristics of the walking gaits of terrestrial tetrapods. In a classic example of convergent evolution, the pectoral limbs of pterosaurs, birds and bats further evolved along independent paths into flying wings. Even with flying wings there are many similarities with walking legs, and core aspects of the genetic blueprint of the pectoral fin have been retained. About 200 million years ago the first mammals appeared. A group of these mammals started returning to the sea about 52 million years ago, thus completing a circle. These are the cetaceans (whales, dolphins and porpoises). Recent DNA analysis suggests that cetaceans evolved from within the even toed ungulates, and that they share a common ancestor with the hippopotamus. About 23 million years ago another group of bearlike land mammals started returning to the sea. These were the seals. What had become walking limbs in cetaceans and seals evolved further, independently in a reverse form of convergent evolution, back to new forms of swimming fins. The forelimbs became flippers and the hind limbs became a tail terminating in two fins, called a fluke in the case of cetaceans. Fish tails are usually vertical and move from side to side. Cetacean flukes are horizontal and move up and down, because cetacean spines bend the same way as in other mammals. Ichthyosaurs are ancient reptiles that resembled dolphins. They first appeared about 245 million years ago and disappeared about 90 million years ago. "This sea going reptile with terrestrial ancestors converged so strongly on fishes that it actually evolved a dorsal fin and tail in just the right place and with just the right hydrological design. These structures are all the more remarkable because they evolved from nothing — the ancestral terrestrial reptile had no hump on its back or blade on its tail to serve as a precursor." The biologist Stephen Jay Gould said the ichthyosaur was his favorite example of convergent evolution.
Робототехника
Су жануарларын қозғалысқа келтіру үшін қанаттардың қолданылуы өте тиімді болуы мүмкін. Есептеулерге сүйенсек, кейбір балықтардың қозғалыс тиімділігі 90%-дан асып кетеді. Балықтар қайықтар мен суасты кемелеріне қарағанда жылдамдық пен маневрлік қабілеттерін жақсырақ арттыра алады, сонымен қатар судың бұзылуын және шуды азайтады. Бұл су асты жануарларының қозғалысын еліктеуге тырысатын су асты роботтарының биомиметикалық зерттеулеріне алып келді. Мысалы, "Field Robotics" институты жасаған "Robot Tuna" роботы, тунаға тән қозғалысты математикалық түрде талдау және модельдеу үшін құрастырылған. 2005 жылы Sea Life London аквариумында Эссекс университетінің компьютерлік ғылымдар факультеті жасаған үш робот балық таныстырылды. Бұл балықтар автономды түрде жүзіп, нақты балықтар сияқты кедергілерден өзіндік түрде қашып өте алады. Олардың авторы "тунаның жылдамдығын, шұбардың үдеуін және балықтардың навигациялық дағдыларын" біріктіруді мақсат еткенін мәлімдеді. "AquaPenguin" роботын Германияның Festo компаниясы жасады. Festo сондай-ақ "AquaRay", "AquaJelly" және "AiraCuda" роботтарын да әзірледі, олар тиісінше манта сәукелесі, медуза және барракуданның қозғалысын имитациялайды. 2004 жылы MIT-де Хью Херр тірі актутормен жабдықталған биомехатроникалық робот балықтың прототипін жасады. Ол роботқа бақаның аяқтарынан бұлшық еттерді хирургиялық түрде транспланттады, содан кейін бұлшық ет талшықтарын электр импульстарымен қоздырып, роботты жүзуге мәжбүр етті. Робот балықтар зерттеулерде бірнеше артықшылықтар ұсынады, мысалы, балық дизайнының бір бөлігін қалған бөліктерінен оқшау зерттеу мүмкіндігі және икемділік немесе бағыт сияқты жалғыз параметрді өзгертуге болады. Зерттеушілер күшті тірі балықтарға қарағанда оңай өлшеуге мүмкіндік алады. "Роботтық құрылғылар үш өлшемді кинематикалық зерттеулерді және сәйкес гидродинамикалық талдауларды да жеңілдетеді, себебі қозғалтқыш бетінің орналасуын дәл анықтауға болады. Сонымен қатар, табиғи қозғалыстың жеке компоненттерін (мысалы, қанаттың сыртқа және ішке иілуін) жеке-жеке бағдарламалауға болады, бұл тірі жануармен жұмыс істегенде, әрине, қиынға соғады."
The use of fins for the propulsion of aquatic animals can be remarkably effective. It has been calculated that some fish can achieve a propulsive efficiency greater than 90%. Fish can accelerate and maneuver much more effectively than boats or submarine, and produce less water disturbance and noise. This has led to biomimetic studies of underwater robots which attempt to emulate the locomotion of aquatic animals. An example is the Robot Tuna built by the Institute of Field Robotics, to analyze and mathematically model thunniform motion. In 2005, the Sea Life London Aquarium displayed three robotic fish created by the computer science department at the University of Essex. The fish were designed to be autonomous, swimming around and avoiding obstacles like real fish. Their creator claimed that he was trying to combine "the speed of tuna, acceleration of a pike, and the navigating skills of an eel". The AquaPenguin, developed by Festo of Germany, copies the streamlined shape and propulsion by front flippers of penguins. Festo also developed AquaRay, AquaJelly and AiraCuda, respectively emulating the locomotion of manta rays, jellyfish and barracuda. In 2004, Hugh Herr at MIT prototyped a biomechatronic robotic fish with a living actuator by surgically transplanting muscles from frog legs to the robot and then making the robot swim by pulsing the muscle fibers with electricity. Robotic fish offer some research advantages, such as the ability to examine part of a fish design in isolation from the rest, and variance of a single parameter, such as flexibility or direction. Researchers can directly measure forces more easily than in live fish. "Robotic devices also facilitate three dimensional kinematic studies and correlated hydrodynamic analyses, as the location of the locomotor surface can be known accurately. And, individual components of a natural motion (such as outstroke vs. instroke of a flapping appendage) can be programmed separately, which is certainly difficult to achieve when working with a live animal."