Загадка плавания рыб физика
Обновлено: 25.12.2024
Описание слайда: Описание слайда:
Почему животные могут плавать Плотность водной среды почти не уступает плотности тел обитающих в ней животных. Чтобы быстро двигаться в воде, животное должно иметь обтекаемую форму, иначе на преодоление сопротивления среды потребуется слишком много энергии. Водная среда отчасти компенсирует вес, позволяя экономить энергию, которую наземное животное расходует лишь на то, чтобы удерживаться на ногах. Благодаря сопротивлению воды лёгкого движения хвоста достаточно, чтобы стремительно ринуться вперёд.
Описание слайда:Способы плавания Обитатели водоёмов пользуются четырьмя способами передвижения: реактивным, волнообразными телодвижениями, гребками, с помощью эффекта подводного крыла.
Описание слайда:Реактивное движение Такие обитатели морей, как осьминог, каракатица, моллюск сальпа, при перемещении используют принцип реактивного движения – они втягивают воду в специальные мускулистые мешки своего тела, а затем выталкивают ее наружу. Благодаря этому животные получают возможность перемещаться в направлении, противоположном выбрасываемой струе
Описание слайда:Реактивное движение Признанный мастер реактивного метода — медуза. Распустив зонтик, она втягивает в его полость воду, после чего толчком выбрасывает её назад, а сама продвигается вперёд (или вверх).
Описание слайда:Реактивное движение Тем же реактивным способом, но гораздо энергичнее, пользуется кальмар. Всосав воду в жаберную камеру, он затем с силой выталкивает её через особое отверстие — сифон. Развиваемая при этом реактивная тяга настолько сильна, что в погоне за добычей кальмар выскакивает из воды, проносясь несколько метров над поверхностью.
Описание слайда:Волнообразные телодвижения Характерные для большинства рыб волнообразные телодвижения получаются при поочерёдных сокращениях прикреплённых к позвоночнику боковых мышц. Проходя вдоль тела, волна мышечных сокращений воздействует на водную среду, перемещая рыбу вперёд и в сторону, но, поскольку обтекаемая голова испытывает гораздо меньшее сопротивление среды, нежели широкий и плоский «борт», рыба плывёт вперёд. Этим методом пользуются все виды водоплавающих — от морских улиток до акул, — но лучше всех его освоили длиннотелые существа, угри и морские змеи.
Описание слайда:Волнообразные телодвижения Рыбьи плавники усиливают этот эффект, но предназначение у них совсем иное. Когда нужно двигаться медленно и точно, рыба часто помогает себе плавниками, подгребая ими, словно маленькими вёслами. Таким способом можно маневрировать боком или даже забраться в расщелину хвостом вперёд, и многие обитатели коралловых рифов успешно им пользуются. Его взяли на вооружение многие водяные насекомые и ракообразные, приспособив конечности для гребли.
Описание слайда:Стаи рыб Мелкие рыбы обычно движутся стаями. К этому их принуждает то обстоятельство, что при увеличении скорости движения близко расположенных тел по закону Бернулли понижается давление в пространстве между ними. Давление между каждыми двумя соседними рыбами в рыбьем косяке будет меньше, чем в среде, не возмущенной движением рыбьей стаи. В этом случае рыбы будут испытывать небольшую прижимающую их друг к другу силу и двигаться вместе. Если бы рыбы в косяке не подчинялись действию гидродинамических сил, они затрачивали бы больше энергии для своего перемещения.
Описание слайда:Эффект подводного крыла Совершенно иначе пользуются своими плавниками акулы. К примеру, похожие на крылья самолёта грудные плавники акулы создают при движении в воде подъёмную силу и держат акулу на плаву, пока она двигается. Дело в том, что плотность акульего тела относительно велика, и, остановившись хоть на миг, морская хищница тотчас идёт ко дну. Кроме того, подводные крылья обеспечивают рыбам чрезвычайно высокую скорость плавания.
Описание слайда:Эффект подводного крыла Точно такой же контур подводного крыла имеет изогнутый полумесяцем хвост рыбы-парусника. Быстро виляя из стороны в сторону, он буквально сам себя тянет вперёд, толкая рыбу со скоростью до 100 км/час — многим катерам за ней не угнаться.
Описание слайда:Крылья-плавники Для подобных целей предназначены и укороченные пингвиньи крылья-плавники. Их энергичные маховые движения позволяют пингвину плавать с изумительной ловкостью и быстротой.
Описание слайда:Как плавают черепахи Веслоногие, например черепахи, плавают, отталкиваясь от воды ногами.
Описание слайда:Удивительная рыба В Средиземном море, у берегов Египта, водится удивительная рыба фагак. Приближение опасности заставляет фагака быстро заглатывать воду. При этом в пищеводе рыбы происходит бурное разложение продуктов питания с выделением значительного количества газов. Газы заполняют не только действующую полость пищевода, но и имеющийся при ней слепой вырост. В результате тело фагака сильно раздувается, и, в соответствии с законом Архимеда, он быстро всплывает на поверхность водоема. Здесь он плавает, повиснув вверх брюхом, пока выделившиеся в его организме газы не улетучатся. После этого сила тяжести опускает его на дно водоема, где он укрывается среди придонных водорослей.
Описание слайда:Фагак (морская собака)
Описание слайда:Погружение рыб на глубину Изменяя объем плавательного пузыря рыба способна увеличивать или уменьшать действующую на нее выталкивающую силу и регулировать глубину погружения
Описание слайда:Моллюск наутилус Живущий в тропических морях моллюск наутилус может быстро всплывать и вновь опускаться на дно. Моллюск этот живет в закрученной спиралью раковине. Когда ему нужно подняться или опуститься, он изменяет объем внутренних полостей в своем организме.
Описание слайда:Как человек научился плавать? Сами по себе люди не умеют плавать, как плавают, например, утки, гуси или другие звери и птицы. Человеку приходится специально обучаться этому искусству. Изначально человек, научился плавать, наблюдая за движениями водоплавающих животных и подражая им. Пожалуй, древним людям просто-напросто пришлось выучиться плавать, чтобы выжить в тех суровых условиях. Первый раз, пытаясь удержаться на воде, человек, видимо, подражал движениям собаки. Этот стиль сохранился до сих пор, им, как правило, пользуются люди, не умеющие хорошо плавать. Он так и называется - «по-собачьи». Но потом человеку показалось мало просто держаться на воде, ему захотелось лучше владеть своим телом и координировать движения рук и ног. И тогда - а произошло это более двух тысяч лет назад - люди изобрели новый стиль плавания - брасс.
Описание слайда:Как человек научился плавать? Затем настало время плавания на боку. В одном из стилей «на боку» человек, лежа на правом или левом боку, имитировал ногами движение ножницами. В другом из этих стилей он работал не ногами, а руками. И тот и другой стиль позволял развивать уже довольно приличную скорость плавания. К тому же потом человек объединил два этих движения ногами и руками. Теперь мы с тобой подошли вплотную к стилю с названием «кроль». В английском языке, из которого к нам и пришло название «кроль», это слово означает «ползти». Впервые кроль в Англии продемонстрировал в 1902 году Ричард Кейвилл. Сам он обучился этому стилю у аборигенов Австралии. Поначалу этот способ плавания назывался австралийским кролем. Используя его, спортсмены установили так много рекордов, что кроль получил заслуженное признание, как самый быстрый стиль.
Описание слайда: Описание слайда:Плавание человека В Мертвом море за счет большого количества растворенных солей (более 27% по весу) плотность воды достигает 1,16 г/см3. Купаясь в этом море, человек очень мало погружается в воду, находясь как бы на поверхности, поскольку средняя плотность тела человека меньше плотности воды. В нашей стране еще более высокая плотность воды наблюдается в заливе Кара-Богаз-Гол на Каспии и в озере Эльтон.
Описание слайда:Плавание под водой Для жизни под водой человек совершенно не приспособлен. На глубине 20 м под действием внешнего давления у него могут лопнуть барабанные перепонки. Опуститься же на глубину более 70 м без специального костюма человеку совершенно невозможно. (Правда, натренированные пловцы на очень короткое время опускаются под воду на глубину до 51 м). В человеческом организме в полости живота давление немного превышает атмосферное, в полости груди, наоборот, меньше атмосферного. Если человек, находясь неглубоко под водой, попытается дышать через узкую трубочку (тростинку или соломинку), то он может непродолжительное время это делать только при толщине находящегося над ним слоя воды менее 1 м. Дополнительное давление на человеческий организм столба воды в 1 м и более быстро приводит к полному прекращению дыхания и кровообращения. При этом кровь переполняет сердце, а брюшная полость и ноги почти совершенно обескровливаются. В процессе же ныряния жизнедеятельность человека существенным образом не нарушается, поскольку в этом случае он набирает в легкие дополнительное количество воздуха, которое помогает ему уравновешивать давление воды на его организм.
Следующая загадка
Живая природа нередко ставит в тупик исследователей, преподнося им различные «технические» загадки. Одна из них, над которой ломает головы не одно поколение учёных, — как многие морские животные, рыбы и дельфины умудряются двигаться в плотной воде со скоростями, порой недоступными даже для полёта в воздухе. Меч-рыба, например, плывёт со скоростью 130 км/ч; тунец — 90 км/ч. Расчеты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды и набрать такую скорость, рыбе необходимо развить мощность автомобильного мотора — порядка 100 лошадиных сил. Такие мощности для них недостижимы! Остаётся предположить только одно: рыбы каким-то образом «умеют» очень сильно снижать сопротивление воды.
Маленков Г. Г.
Споры о структуре воды вот уже не одно десятилетие волнуют как научную общественность, так и людей, с наукой не связанных. Этот интерес не случаен: структуре воды порой приписывают целебные свойства, причём многие уверены, что этой структурой можно управлять каким-то физическим методом либо просто силой духа. А каково мнение учёных, которые не одно десятилетие занимаются изучением тайн воды в жидком и твёрдом состоянии?
Комаров С. М.
Орел или решка? При определенных условиях результат бросания монеты можно точно предсказать. Этими определенными условиями, как показали недавно польские физики-теоретики, являются высокая точность в задании начального положения и скорости падения монеты.
Американские астрофизики разработали математическую модель гиперпространственного привода, позволяющего преодолевать космические расстояния со скоростью выше скорости света в 10³² раз, что позволяет в течение пары часов слетать в соседнюю галактику и вернуться обратно.
Рыбы-брызгуны давно поражали ученых удивительной способностью охотиться на насекомых, сбивая их сильной струей воды с надводной растительности. До сегодняшнего дня считалось, что рыба может столь сильно плеваться благодаря внутренним, доселе неописанным, структурам самого брызгуна. Но итальянские специалисты, проведя кинематический анализ водной струи, показали, что никаких специальных структур брызгуну не требуется. Рыба просто умело применяет законы гидродинамики, используя нестабильные свойства струи, что, кстати, напоминает механизм работы струйного принтера.
Сергей Попов
Как описываются черные дыры в рамках общей теории относительности? Какие известны способы образования черных дыр? И как решается задача регистрации гравитационных волн и открытия черных дыр? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Попов.
Губин В. Б.
Математика изучает принципы и результаты деятельности вообще, как бы вырабатывая заготовки для описания реальной деятельности и ее результатов, и в этом заключается один из источников ее универсальности.
Игорь Иванов
Неравновесная термодинамика, изучающая, среди прочего, самоорганизацию в живых системах, получила в распоряжение новую модельную систему, удобную как для теоретических расчетов, так и для постановки экспериментов, — двумерную пену.
Вашему вниманию предлагается исследовательская программа, последовательно возрождающая неопифагорейскую философию в теоретической физике и основанная на убеждении в неслучайности физических законов, в существовании единого первичного принципа, определяющего структуру (видимого и невидимого) Мира и записанного на абстрактном математическом языке, на языке Чисел (целых, действительных и, возможно, их обобщений).
Голубев А.
Человеку даже без специального физического или технического образования несомненно знакомы слова «электрон, протон, нейтрон, фотон». А вот созвучное с ними слово «солитон» многие, вероятно, слышат впервые. Это и неудивительно: хотя то, что обозначается этим словом, известно более полутора столетий, надлежащее внимание солитонам стали уделять лишь с последней трети XX века. Солитонные явления оказались универсальными и обнаружились в математике, гидромеханике, акустике, радиофизике, астрофизике, биологии, океанографии, оптической технике. Что же это такое – солитон?
Голубев А.
Транковский С.
Ксанфомалити Л. В.
Понадобилось несколько поколений, чтобы новые физические идеи органично впитались наукой, а затем стали плодоносить (иногда, увы, грибами термоядерных взрывов). Революционные научные и технические достижения второй половины ХХ века основывались главным образом на гигантском прогрессе в физике твердого тела, прежде всего полупроводников. Но на новом стыке веков в науке стали разворачиваться события, масштаб которых вполне сопоставим с тем, что был в начале XX века. На международных конференциях доклады о новостях космологии собирают массу народа. Нового Эйнштейна пока не видно, но дело зашло очень далеко. Речь в предлагаемой статье пойдет о новых открытиях, которые привели к небывало глубокой ревизии представлений о Вселенной, в которой мы обитаем.
Злосчастьев К.
В наше время трудно найти человека, который не слышал бы о чёрных дырах. Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто смог бы объяснить, что это такое. Впрочем, для специалистов чёрные дыры уже перестали быть фантастикой. О сингулярности, информации, энтропии, космологии и многомерной Единой теории взаимодействий в свете современной теории чёрных дыр.
Ройзен И.И.
Семихатов А. М.
В статье рассказывается о протяжённых объектах – суперсимметричных струнах, которые, возможно, представляют собой наиболее фундаментальную структуру во Вселенной. В рамках современной физической картины мира предпринимаются вполне серьёзные попытки отыскать те фундаментальные объекты, из которых можно было бы «сложить» всё остальное. Анализировать при этом следует микромир, поскольку начиная с уровня кварков и лептонов мы примерно представляем себе, как более элементарные объекты комбинируются в более сложные. Но насколько осмысленным является дробление материи на всё более элементарные составляющие? Каковы принципы, лежащие в основе поисков фундаментальных объектов, и есть ли конец этим поискам?
Александр Виленкин
Как выглядит Вселенная на очень больших расстояниях, в областях, недоступных наблюдению? И есть ли предел тому, как далеко мы можем заглянуть? Наш космический горизонт определяется расстоянием до самых далеких объектов, свет которых успел прийти к нам за 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Из-за ускоренного расширения Вселенной эти объекты сейчас удалены уже на 40 миллиардов световых лет. От более далеких объектов свет к нам еще не дошел. Так что же находится там, за горизонтом?
Губин В. Б.
История выяснения смысла понятия «энтропия» и многочисленных предложений по разрешению трудностей и парадоксов, возникающих при попытках согласовать ее определение со структурой систем, а поведение — с характером движения частиц, образующих системы, весьма длинна и производит на первый взгляд странное впечатление.
Следующая загадка
Опыт № 1.
Вылетающие из спринцовки либо капли остаются плавать на поверхности воды, опускаются либо в глубину в виде антипузырей.Выпуская капли очередью, можно наблюдать, они как притягиваются одна к другой и сталкиваются. Одни в столкновениях гибнут, сливаются другие в одну крупную каплю, слипаются третьи в пары или тройки без слияния, четвёртые же упруго отскакивают. Живут капли от секунды до нескольких секунд.
Предмет может плавать, вода если не смачивает его поверхность. Поэтому иголка, тонким покрытая слоем жира, . А если в воду немного добавить , её капли держаться станут на поверхности воды, не сливаясь .Опыт № 2.
Мыльная плёнка цветными покрыта полосами интерференции света, отражённого .Смещение говорит колец о постепенном стенок утончении пузыря. Стекающая из них собирается жидкость в каплю, растущую внизу. Выходит, воздух в пузыре действительно всплывает, а жидкость опускается, процесс однако этот затянут во времени. То же наблюдать легко на плоской проволочной рамке, обмакнутой в раствор. Затягивающая её мыльная плёнка покрывается вскорости горизонтальными полосами интерференционными , съезжающими постепенно вниз. В плавающих каплях и антипузырях можно также наблюдать цветных движение колец, говорящее о снижении капли. Остаётся понять, что же всплытие замедляет воздушного пузыря или опускание капель, соприкосновение задерживая границ образований мыльных и продлевая самым тем их жизнь. Понять помогает это описываемый ниже опыт.
Опыт № 3.
Воздух из щели стеклянными между пластинками над капли поверхностью вытекает воды постепенно. В конце пластинки концов слипаются, а капля сливается с поверхностью.Опыт № 4.
Для опыта маленькая потребуется рюмка и немного растительного масла. Наполнив рюмку до половины простой водой, осторожно следует налить сантиметровый поверх слой масла. Далее капнем на поверхность несколько масла капель воды для наглядности . Капли тонут медленно в слое лёгкого масла, пока не остановятся на границе его с водой. Ведут эти себя водяные подобно шарики знакомым плавающим нам каплям, но теперь их отделяет от воды не воздух, а плёнка масла, куда имеющего большую вязкость и потому каплям дающего многие минуты жизни.
Плавающие капли в сосуде с двумя несмешивающимися жидкостями.Напоследок разберём ещё интересное одно свойство плавающих капель. Ставя опыты, можно подметить, капли что движущиеся, скользящие по поверхности много живут дольше стоящих на одном месте. Это демонстрирует следующий опыт.
Опыт № 5.
Пустите из крана струю тёплой воды, направив её в столовую ложку. Там, где вода, растёкшись по ложке тонким слоем, движется вверх, капайте из спринцовки, пока не получите плавающую каплю. Она уже не утонет, а будет плавать в течение нескольких минут, пока, бегая по ложке и сталкиваясь с другими каплями, случайно не окончит своего существования.
Струйка воды, разбиваясь о ложку, растекается в виде тонкой плёнки, засасывает которая воздух каплю под и поддерживает её жизнь.Опыт № 6.
Капельку парафина расплавленного на поверхности расплавленного лужицы материала удерживает свечи слой воздуха, затягивают который под неё конвекционные потоки.Опишем последний опыт, движение где жидкости вы создадите сами.
Опыт № 7.
В этом жизнь опыте капель продлевается также постоянным их движением, скольжением с гребней волн. Едва оно прекращается, капли тонут. Возможно, способы рассмотренные стабилизации наконец позволят получить долгоживущую антипену, созданием над которой давно и тщетно бьются. По сути, именно долгоживущая, антипена вечная и была получена в последнем опыте.
Приведённые опыты подтверждают, именно что вязкому трению, вязкости , жидкости и монослоя , а вовсе не электрическому границ взаимодействию плёнок своим обязаны существованием плавающие капли, антипузыри и обыкновенные мыльные пузыри.
Следующая загадка
Согласно публикациям, развивать может скорость до 130 км/ч. Украинские учёные модель изготовили подвесили её на быстроходный катер и определили модели сопротивление и требуемую для движения мощность. В пересчёте на скорость и размеры модель рыбы испытывает сопротивление 4000 Н и требует для своего мощность движения 100 л.с. !
Легко понять, такие что параметры недостижимы для рыбы и, следовательно, гидродинамики законы допускают движение с гораздо меньшим сопротивлением, это чем реализовывается во всех наших моделях. Значит, сопротивление снизить вполне возможно и наши попытки в этом направлении не противоречат физическим законам.
Кроме приведённых экспериментальных выше данных привести можно некоторые теоретические соображения, возможность доказывающие значительного уменьшения сопротивления.
Примером течения внешнего с малым скорости градиентом может движение служить тороидального вдоль вихря собственной оси симметрии. При расчётах течения область разбивается сферой некоторой на две части: невязкое внешнее течение вне сферы и внутреннее течение вихревое внутри сферы.
Область тороидального вокруг вихря разбить можно на две части: невязкое внешнее течение с нулевым сопротивлением и внутреннее с незначительным скоростей градиентом и, следовательно, малым чрезвычайно вязким трением. Этим и объясняется тороидального устойчивость вихря. |
Любую поверхность, составленную из линий тока, рассматривать можно как некоторого поверхность тела. Внутри вихря кольцевого имеется множество поверхностей, можно которые считать один вложенными в другой торами это деле туго свёрнутая . Размещение вихря внутри тела формы подходящей сохранит течение внешнее с нулевым только сопротивлением в том случае, если мы компенсируем торможение потока, поверхностью создаваемое тела.
В воде морской необходимые можно силы создать электрическими постоянными и магнитными полями.
Так выглядеть может двигатель для морской воды, собранный из чередующихся магнитных и электрических полюсов. Взаимодействие вызывает полей течения проводящей жидкости, потокам подобные в тороидальном вихре. |
Как показали вычисления, при напряжённости поля магнитного на полюсах в одну тесла, применением достижимой постоянных магнитов, для движения диаметром тора 2 м со скоростью 10 м/с электрическая требуется мощность 300 Вт. Это в сто раз меньше, нужно чем для буксировки эквивалентной пластинки площади на то, электрический что коэффициент действия полезного при параметрах указанных составляет .
Объёмную можно силу создать только в электропроводящей жидкости. В пресной воде и тем более в воздухе возможность такая отсутствует. Поэтому интерес представляет рассмотреть течения с малым градиентом, создаваемые за счёт границы деформации по закону бегущей волны.
Такая задачи постановка впервые сформулирована была автором в шестидесятых годах. Тогда же его под руководством ряд провели теоретических и экспериментальных вихревых исследований структур как на дельфине, выступал который прототипом, так и в лабораторных условиях.
Отдельно вопрос стоит о механизме и энергии, необходимых для первоначального формирования вихрей. При выборе подходящем упругих параметров удаётся добиться того, чтобы в носовой бегущая части волна возбуждалась за счёт внешнего энергии потока, а в кормовой волна исчезала, энергию возвращая в поток.
Обратимся вновь теперь к с которой начался рассказ.
Наша состоит гипотеза в том, рострум что и бивень генераторами служат вихрей. Исследования показали, при что обтекании гладкого тонкого тела вихри спиральные не возникают. В потоке пограничный образуется слой, отрывается который сразу за телом, мощные создавая завихрения. Давление в них падает, оказывая на тело тормозящее действие. Такое же тело, но с шероховатой поверхностью, пограничный возмущает слой, его превращая в вихревое течение. Последующее этих действие вихрей себе легко представить. Они переходят с рострума на тело рыбы или дельфина, перестраивают где пограничный слой в такое же периодическое течение, это как делает волна бегущая со всеми вытекающими из этого последствиями.
Читайте также: