Введение
Тонкий компонент или придаток, прикрепленный к большему телу или структуре.
Плавник – это тонкий компонент или придаток, прикрепленный к большему телу или структуре. Плавники обычно функционируют как крылья, создающие подъемную силу или тягу, либо обеспечивают возможность управления или стабилизации движения при передвижении в воде, воздухе или других жидкостях. Плавники также используются для увеличения площади поверхности с целью теплообмена или просто в качестве декоративного элемента. Плавники впервые эволюционировали у рыб как средство передвижения. Рыбные плавники используются для создания тяги и управления движением. Рыбы и другие водные животные, такие как китообразные, активно передвигаются и управляют собой с помощью грудных и хвостовых плавников. Во время плавания они используют другие плавники, такие как спинной и анальный, для обеспечения стабильности и улучшения маневренности. Плавники на хвостах китообразных, ихтиозавров, метриоринхов, мозазавров и плезиозавров называются хвостовыми лопастями.
генерация тяги
При движении плавник в форме крыла создает тягу, подъемная сила плавника приводит воду или воздух в движение и толкает плавник в противоположном направлении. Водные животные получают значительную тягу, перемещая плавники вперед и назад в воде. Часто используется хвостовой плавник, но некоторые водные животные генерируют тягу с помощью грудных плавников. Турбины работают по принципу обратной силы, используя подъемную силу лопастей для создания крутящего момента и мощности из движущихся газов или воды. Кавитация может стать проблемой при высоких нагрузках, приводя к повреждению гребных винтов или турбин, а также к шуму и потере мощности. Кавитация возникает, когда отрицательное давление вызывает образование пузырьков (полостей) в жидкости, которые затем мгновенно и с большой силой схлопываются. Это может вызывать значительные повреждения и износ. Кавитация также замедляет тунца, но по другой причине. В отличие от дельфинов, эти рыбы не ощущают пузырьки, поскольку у них костные плавники без нервных окончаний. Тем не менее, они не могут плавать быстрее, потому что кавитационные пузырьки создают вокруг плавников паровой слой, ограничивающий их скорость. На тунце были обнаружены повреждения, соответствующие повреждениям, вызванным кавитацией. Рыбы используют несколько плавников, поэтому возможно гидродинамическое взаимодействие между ними. В частности, плавники, расположенные непосредственно перед хвостовым плавником, могут быть ближайшими и оказывать непосредственное влияние на динамику потока вокруг хвостового плавника. В 2011 году исследователи, используя методы объемной визуализации, смогли получить "первые мгновенные трехмерные изображения структуры следа, образующегося у свободно плавающих рыб". Они обнаружили, что "постоянные взмахи хвостом приводят к образованию цепочки связанных вихревых колец" и что "вихри спинного и анального плавников быстро вовлекаются в вихрь хвостового плавника, примерно в течение времени, необходимого для следующего взмаха хвостом".
Контроль движения
После того как движение установлено, само движение может контролироваться с помощью других стабилизаторов. Самолеты достигают схожих результатов с помощью небольших специализированных стабилизаторов, которые изменяют форму крыльев и хвостового оперения. Стабилизирующие плавники используются в качестве оперения на стрелах и некоторых дротиках, а также в задней части некоторых бомб, ракет, снарядов и самоходных торпед. Обычно они плоские и имеют форму небольших крыльев, хотя иногда применяются решетчатые стабилизаторы. Статические стабилизаторы также использовались на одном спутнике, GOCE.
Регулирование температуры
Инженерные пластины также используются как оребрения для теплообмена с целью регулирования температуры в радиаторах или ребристых радиаторах.
Эволюция
Существует старая теория, предложенная анатомом Карлом Гэггенбауром, которую часто игнорировали в учебниках по науке, "что плавники и (позже) конечности эволюционировали из жабр вымершего позвоночного". Пробелы в летописи окаменелостей не позволяли сделать окончательный вывод. В 2009 году исследователи из Чикагского университета обнаружили доказательства того, что "генетическая архитектура жабр, плавников и конечностей одинакова" и что "скелет любого придатка к телу животного, вероятно, формируется той же генетической программой развития, которую мы проследили до формирования жабр у акул". Недавние исследования подтверждают идею о том, что жаберные дуги и парные плавники являются серийными гомологами, и, следовательно, плавники могли эволюционировать из жаберных тканей. Рыбы являются предками всех млекопитающих, рептилий, птиц и земноводных. В частности, наземные четвероногие животные эволюционировали из рыб и впервые вышли на сушу 400 миллионов лет назад. Они использовали парные грудные и тазовые плавники для передвижения. Грудные плавники развились в передние конечности (руки у человека), а тазовые плавники – в задние ноги. Большая часть генетического механизма, который строит ходячую конечность у четвероногого, уже присутствует в плавательном плавнике рыбы. В 2011 году исследователи из Университета Монаш в Австралии использовали примитивных, но все еще живущих рыбок-легочников, "чтобы проследить эволюцию мышц тазовых плавников и выяснить, как развились несущие нагрузку задние конечности четвероногих". Дальнейшие исследования в Чикагском университете показали, что рыбы-легочники, передвигающиеся по дну, уже развили характеристики походки наземных четвероногих. В классическом примере конвергентной эволюции грудные конечности птерозавров, птиц и летучих мышей независимо эволюционировали в летающие крылья. Даже у летающих крыльев много общего с ходячими ногами, и основные аспекты генетического плана грудного плавника сохранились. Около 200 миллионов лет назад появились первые млекопитающие. Группа этих млекопитающих начала возвращаться в море около 52 миллионов лет назад, завершая таким образом цикл. Это китообразные (киты, дельфины и морские свиньи). Недавний анализ ДНК показывает, что китообразные эволюционировали внутри группы парнокопытных и имеют общего предка с бегемотами. Около 23 миллионов лет назад другая группа, похожая на медведей, наземных млекопитающих начала возвращаться в море. Это были тюлени. То, что стало ходячими конечностями у китообразных и тюленей, развилось дальше, независимо, в обратной форме конвергентной эволюции, обратно в новые формы плавательных плавников. Передние конечности превратились в ласты, а задние конечности – в хвост, заканчивающийся двумя плавниками, называемыми в случае китообразных хвостовым плавником. Рыбьи хвосты обычно вертикальные и двигаются из стороны в сторону. Хвостовые плавники китообразных горизонтальные и двигаются вверх и вниз, потому что позвоночник китообразных изгибается так же, как у других млекопитающих. Ихтиозавры – древние рептилии, похожие на дельфинов. Они впервые появились около 245 миллионов лет назад и исчезли около 90 миллионов лет назад. "Эта морская рептилия с наземными предками настолько сильно сошлась с рыбами, что у нее фактически развились спинной плавник и хвост в нужном месте и с идеально подходящим гидродинамическим дизайном. Эти структуры тем более примечательны, что они эволюционировали из ничего – у предка наземной рептилии не было горба на спине или лопасти на хвосте, которые могли бы служить предшественниками". Биолог Стивен Джей Гулд сказал, что ихтиозавр был его любимым примером конвергентной эволюции.
Робототехника
Использование плавников для передвижения водных животных может быть удивительно эффективным. Было подсчитано, что некоторые рыбы могут достигать эффективности движения более 90%. Рыбы способны ускоряться и маневрировать гораздо эффективнее, чем лодки или подводные лодки, и производят меньше возмущений и шума в воде. Это привело к биомиметическим исследованиям подводных роботов, которые стремятся имитировать способы передвижения водных животных. Примером является Робот-тунец, созданный Институтом полевой робототехники для анализа и математического моделирования тунниформного движения. В 2005 году в лондонском аквариуме Sea Life были представлены три роботизированные рыбы, разработанные отделом компьютерных наук Университета Эссекса. Рыбы были спроектированы как автономные, способные плавать и избегать препятствий, подобно настоящим рыбам. Их создатель утверждал, что пытается объединить "скорость тунца, ускорение щуки и навигационные навыки угря". AquaPenguin, разработанный компанией Festo из Германии, копирует обтекаемую форму и способ передвижения с помощью передних плавников пингвинов. Festo также разработала AquaRay, AquaJelly и AiraCuda, имитирующие соответственно передвижение мант, медуз и барракуд. В 2004 году Хью Херр из MIT создал прототип биомехатронной роботизированной рыбы с живым актуатором, хирургически пересадив мышцы лягушек роботу и затем заставив робота плавать, посылая электрические импульсы к мышечным волокнам. Роботизированные рыбы предоставляют некоторые исследовательские преимущества, такие как возможность изучать отдельные части конструкции рыбы, изолированно от остальной части, и изменять один параметр, например, гибкость или направление. Исследователи могут напрямую измерять силы легче, чем у живых рыб. "Роботизированные устройства также облегчают трехмерные кинематические исследования и связанные с ними гидродинамические анализы, поскольку местоположение движущейся поверхности может быть точно определено. Кроме того, отдельные компоненты естественного движения (например, фаза взмаха и фаза возврата взмахивающего придатка) могут быть запрограммированы независимо, что, безусловно, сложно реализовать при работе с живым животным."