Ритм передвижения определяет силу и скорость.

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 14018 (2023) Цитировать эту статью

1013 Доступов

6 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье рассматриваются два вопроса: почему некоторые животные (лягушки, пловцы брассом, летуны, медузы) быстро отталкиваются от окружающей жидкости, а затем медленно тянутся вперед, и является ли этот ритм движения проявлением универсального явления эволюции дизайна в природе. . Особое внимание уделено распределению временных периодов локомоции, в которых во время двигательной фазы циклического движения (двигательный ход, фазы 1 и 2, в чередующейся последовательности с диссипативным ходом, фаза 3) генерируется работа (фаза 1). и рассеялся (фаза 2). Прогнозируются относительные длины характерных времен t1 и t2 фаз 1 и 2. Относительная продолжительность предложенных трех фаз цикла и есть «ритм». В основе анализа лежит модель воздействия эффективных сечений гребущих частей тела на окружающую среду, воду или воздух, а также суммарная мощность, необходимая для учета потерь кинетической энергии на этапах 2 и 3, обусловленных тянуть силы, создаваемые окружающей средой. Конфигурация тела (поперечное сечение конечностей) определяет скорости конечностей, которые максимизируют среднюю мощность, а также время t1 и t2 в пределах двигательного удара. Особое внимание уделяется свободе изменения развивающегося дизайна. Свобода представлена ​​двумя способами: числом степеней свободы в изменении размеров модели и ее деформации во времени, а также влиянием эволюционных изменений на доступ тела к имеющемуся у него пространству. Свобода изменения конструкции передвижения приводит к большей мощности и скорости.

Вы замечали, что лягушки и пловцы брассом быстро отталкивают воду назад и медленно тянутся вперед? Вы также заметили, что после движения «толкай и вытягивай» их тела «скользят» в течение времени, сравнимого с первыми двумя? Почему это происходит? Какая связь между этим ритмом и эволюцией животного дизайна и его перемещением по земле?

В этой статье мы рассматриваем эти вопросы фундаментальным образом, основываясь на теории. Эта работа носит прогностический характер, поскольку опирается на физический закон эволюции дизайна в природе, конструктивный закон1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19. Сначала давайте рассмотрим основные термины и понятия, используемые в статье, которые наводят мосты между физикой, дизайном животных и инженерией: передвижение, термодинамика, гидродинамика, дизайн, модель, масштаб, свобода и эволюция.

Передвижение (или транспортировка для людей) — это движение с целью обеспечить доступ к перемещению животных и людей из одного места в другое. Движение направлено против среды — в воде, на земле и в воздухе. Сила приводит в движение движение, и вся сила рассеивается по мере того, как движущееся тело продвигается вперед, преодолевая сопротивление, создаваемое средой. В двух словах это термодинамика передвижения.

Термодинамика шире, чем гидродинамика2. Термодинамика означает нагрев (therme, греч.) и мощность (dynamis, греч.). Между потоками тепла и мощности существуют макроскопические конфигурации потоков (конструкции), которые преобразуют тепло в энергию и движение, вызванное этой мощностью (называемые двигателями, животными, транспортными средствами), или преобразуют мощность и движение в нагрев (называемые охладителями, холодильниками). , тормоза, диссипаторы). «Нагрев» происходит в результате процессов (сгорания, метаболизма), которые потребляют измеримые количества, известные как пища, топливо, эксергия, свободная энергия, калорийность и т. д. Скорость потребления (например, метаболизма) не следует путать с мощностью, вырабатываемой для вызывая движение (например, локомоцию). Между ними находится конструкция потока, частично преобразующая первое во второе.

Важным в термодинамике, и в этой статье, является конфигурация потока — конструкция — его движение в пространстве и времени и его эволюция. Эволюция означает изменение за изменением в направлении, различимом наблюдателем.