Движение животных по поверхности воды: физика и механизмы
Animal locomotion on the water surface
Движение животных по воде: изучение способов передвижения, использующих поверхностное натяжение. Виды, примеры (водомерки, базилиск) и адаптации для плавучести.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Движение животных на поверхностном слое воды — это изучение способов передвижения небольших животных, обитающих на поверхности воды и использующих поверхностное натяжение для поддержания плавучести. Существуют два типа передвижения животных по воде, определяемые соотношением веса животного к поверхностному натяжению воды: те, чей вес поддерживается поверхностным натяжением в состоянии покоя и которые, следовательно, могут легко оставаться на поверхности воды без значительных усилий, и те, чей вес не поддерживается поверхностным натяжением в состоянии покоя и которые, следовательно, должны совершать дополнительное движение, параллельное поверхности воды, чтобы оставаться на ней. Ящерица базилиск, часто называемая «иисусовой ящерицей», имеет вес, превышающий предел, который может выдержать поверхностное натяжение, и широко известна своей способностью бегать по поверхности воды. Другой пример — западноамериканский поганка, которая включает бег по поверхности воды в свой брачный ритуал. Поверхностные животные, такие как водяной клоп (серебрянка), обычно имеют гидрофобные ноги, покрытые мелкими волосками, предотвращающими прорыв поверхности и намокание. Еще одним насекомым, способным ходить по поверхности воды, является вид муравьев Polyrhachis sokolova. Благодаря небольшому размеру и гидрофобной коже, пигмейская гекконовая ящерица (Coleodactylus amazonicus) также может передвигаться по поверхности воды. По словам биофизика Дэвида Л. Ху, существует по меньшей мере 342 вида водяных клопов. С увеличением размеров тела их ноги становятся пропорционально длиннее, а у Gigantometra gigas длина тела превышает 20 см, что требует силы поверхностного натяжения около 40 миллиньютонов. Водяные клопы создают тягу, сбрасывая вихри в воду: во время гребка формируется серия U-образных вихревых нитей. Два свободных конца «U» прикреплены к поверхности воды. Эти вихри передают достаточное количество (обратного) импульса воде, чтобы продвинуть животное вперед (следует отметить, что часть импульса передается капиллярными волнами; более подробное обсуждение см. в парадоксе Денни).
Animal locomotion on the surface layer of water is the study of animal locomotion in the case of small animals that live on the surface layer of water, relying on surface tension to stay afloat. There are two types of animal locomotion on water, determined by the ratio of the animal's weight to the water's surface tension: those whose weight is supported by the surface tension at rest, and can therefore easily remain on the water's surface without much exertion, and those whose weight is not supported by the water's surface tension at rest, and must therefore exert additional motion in a direction parallel to the water's surface in order to remain above it. A creature such as the basilisk lizard, often dubbed the 'Jesus lizard', has a weight which is larger than the surface tension can support, and is widely known for running across the surface of water. Another example, the western grebe, performs a mating ritual that includes running across the surface of water. Surface living animals such as the water strider typically have hydrophobic feet covered in small hairs that prevent the feet from breaking the surface and becoming wet. Another insect known to walk on the water surface is the ant species Polyrhachis sokolova. The pygmy gecko (Coleodactylus amazonicus), due to its small size and hydrophobic skin, is also able to walk on the water surface. According to biophysicist David L. Hu, there are at least 342 species of water striders. As striders increase in size, their legs become proportionately longer, with Gigantometra gigas having a length of over 20 cm requiring a surface tension force of about 40 millinewtons. Water striders generate thrust by shedding vortices in the water: a series of U shaped vortex filaments is created during the power stroke. The two free ends of the "U" are attached to the water surface. These vortices transfer enough (backward) momentum to the water to propel the animal forwards (note that some momentum is transferred by capillary waves; see Denny's paradox for a more detailed discussion.)
Поднимается по мениску
Чтобы перейти с поверхности воды на сушу, водоходящему насекомому необходимо преодолеть наклон мениска на кромке воды. Многие из этих насекомых не способны взобраться по этому мениску, используя свой обычный способ передвижения. Дэвид Ху и его коллега Джон В. М. Буш показали, что такие насекомые взбираются по менискам, принимая фиксированную позу тела. Это деформирует водную поверхность и создает капиллярные силы, которые толкают насекомое вверх по склону, не задействуя конечности. Ху и Буш заключают, что взбирание по мениску – это необычный способ передвижения, поскольку насекомое движется в квазистатическом состоянии, не двигая конечностями. Биолокомоция обычно характеризуется передачей энергии мышечного напряжения в кинетическую и потенциальную гравитационную энергию существа, а также в кинетическую энергию окружающей жидкости. В отличие от этого, при взбирании по мениску энергия преобразуется по-другому: деформируя свободную поверхность, насекомое преобразует мышечное напряжение в поверхностную энергию, которая обеспечивает его подъем.
To pass from the water surface to land, a water walking insect must contend with the slope of the meniscus at the water's edge. Many such insects are unable to climb this meniscus using their usual propulsion mechanism. David Hu and coworker John W. M. Bush have shown that such insects climb meniscuses by assuming a fixed body posture. This deforms the water surface and generates capillary forces that propels the insect up the slope without moving its appendages. Hu and Bush conclude that meniscus climbing is an unusual means of propulsion in that the insect propels itself in a quasi static configuration, without moving its appendages. Biolocomotion is generally characterized by the transfer of muscular strain energy to the kinetic and gravitational potential energy of the creature, and the kinetic energy of the suspending fluid. In contrast, meniscus climbing has a different energy pathway: by deforming the free surface, the insect converts muscular strain to the surface energy that powers its ascent.
Двигатель Marangoni
Многие насекомые, включая некоторых наземных, могут выделять поверхностно-активное вещество и приводить себя в движение, используя эффект Марангони. Ху и Буш сообщают, что Microvelia может достигать пиковой скорости 17 см/с, что вдвое превышает ее пиковую скорость передвижения при ходьбе, используя марангониевскую тягу. Марангониевская тяга у влажного членистоногого принципиально аналогична движению мыльной лодки, однако ситуация с насекомыми, такими как водомерки, более сложна. Ху и Буш отмечают, что "для несмачиваемых членистоногих передача химической энергии в кинетическую более тонкая, поскольку марангониево напряжение должно передаваться через сложный поверхностный слой организма".
Many insects, including some terrestrial insects, can release a surfactant and propel themselves using the Marangoni effect. Hu and Bush report that Microvelia can attain a peak speed of 17 cm/s, which is twice its peak walking speed, using Marangoni propulsion. Marangoni propulsion by a wetting arthropod is precisely analogous to a soap boat but the situation for insects such as water striders is more complex. Hu and Bush state that "for nonwetting arthropods, the transfer of chemical to kinetic energy is more subtle, as the Marangoni stress must be communicated across the creature’s complex surface layer".
Парусный спорт
Велелла, ветровой моряк, — это кишечнополостное, не имеющее собственных средств передвижения, кроме парусного хода. Небольшой жесткий парус возвышается над поверхностью воды и улавливает ветер. Велеллы всегда ориентируются по направлению ветра, где парус может функционировать как аэродинамический профиль, благодаря чему эти животные обычно движутся по ветру под небольшим углом к нему.
Velella, the by the wind sailor, is a cnidarian with no means of propulsion other than sailing. A small rigid sail projects into the air and catches the wind. Velella sails always align along the direction of the wind where the sail may act as an aerofoil, so that the animals tend to sail downwind at a small angle to the wind.