ПОЛЕТ И ПЛАВАНИЕ

  Воздух и вода представляют собой текучие среды, и перед животными, которые движутся в них, стоят одни и те же проблемы. Под животным нет твердого субстрата, который поддерживал бы его вес, и силы, приводящие тело в движение, действуют против среды, которая буквально ускользает.

Плотность и вязкость у воздуха гораздо меньше, чем у воды, и это различие имеет существенное значение для локомоции животных в этих двух средах, но есть много гидродинамических принципов, общих для обеих сред.
Судя по числу летающих форм, полет является чрезвычайно выгодным способом передвижения. Примерно из миллиона современных видов животных более трех четвертей — летающие _насекомые. Способность летать возникала независимо по меньшей мере четыре раза: у насекомых, у вымерших крупных рептилий (птерозавров), у птиц и у млекопитающих (летучих мышей). Размеры активно’летающих животных варьируют в пределах приблизительно от 1 мкг у очень мелких насекомых до более 10 кг у самых крупных летающих птиц.
Сила, необходимая для продвижения животного в^ воздухе по прямому пути, состоит из двух компонент — подъемной силы, равной весу тела, и тяги, т. е. силы, которая толкает тело вперед, преодолевая сопротивление воздуха. У летающих животных подъемная сила и тяга создаются одними и теми же поверхностями. Как мы увидим позже, для животных, плавающих в воде, это не всегда так.
Основную силу для полета птиц создают крупные грудные мышцы, которые у всех птиц составляют около 15% массы тела независимо от его размеров. Мышцы, поднимающие крыло при каждом взмахе, составляют только около ‘До всей массы летательных мышц и поэтому не могут вносить существенного вклада в ту силу, которая нужна для продвижения вперед. Существуют, конечно, небольшие отклонения от общего правила, но обычно у птиц двигатель составляет по весу одну и ту же долю всего «летательного аппарата» независимо от его размеров (Greenewalt, 1975).
Колибри отличаются от остальных птиц: масса летательных мышц составляет у них 25—30% массы тела. Это находится в соответствии с тем, что для «зависания» в воздухе на одном месте нужна большая затрата энергии, чем при машущем полете вперед (Weis-Fogh, 1973). Кроме того, мышцы, ответственные за подъем крыльев, составляют здесь около трети всей массы летательных мышц. Это указывает на то, что как источник энергии для поддержания тела в воздухе существенное значение имеют оба движения крыла и вверх, и вниз, а поскольку птица остается на одном месте, вся энергия тратится на создание подъемной силы. Этот вывод подтверждается аэродинамическим анализом движений крыльев у колибри (Stolpe, Zimmer, 1939).
Поразительно, что, несмотря на сложность гидродинамической теории полета, полет птиц и насекомых удалось хорошо понять (Pennycuidc, 1969; Tucker, 1973; Weis-Fogh, 1973; 1976; Lighthill, 1974). Мощность, необходимая для полета птицы, является чрезвычайно сложной функцией величины и формы тела, скорости движения, размеров и формы крыльев. Кроме того, точный анализ осложняется непрерывным изменением формы крыла и скорости его движения при каждом взмахе. Согласно аэродинамической теории (Lighthill, 1974), эта мощность возрастает пропорционально весу тела с показателем степени 1,17. Анализ, проведенный Таккером с учетом эмпирических измерений, привел к результатам, которые в упрощенной форме говорят о том, что требуемая сила должна быть пропорциональна весу птицы (Tucker, 1973). Для дальнейших рассуждений не столь существенно, будем ли мы брать вес тела в степени 1,17 или же 1,0.
Известно, что у птицы метаболизм покоя возрастает пропорционально массе тела с показателем степени 0,75 (с.

276). Можно принять (хотя это достоверно не известно), что максимальная стабильная мощность находится в такой же зависимости от размеров тела. Это просто означает, что возможная мощность растет с увеличением размеров птицы не так быстро, как мощность, необходимая для полета. Это показано на рис. 11.25, где кривая мощности, требуемой для полета, построена так, что она пересекает кривую максимальной возможной мощности при весе тела 10 кг — примерно таком, как у самых крупных летающих птиц. Следовательно, еще более крупная птица, например страус (вес около 100 кг)’, даже если бы она по своей анатомии была приспособлена к полету [ не могла бы мобилизовать столько энергии, сколько нужно для стабильного машущего полета по горизонтали!.
Интересно сравнить эти сведения с подробностями полета человека на аппарате весом 32 кг, приводимом в движение мышечной силой, когда хорошо тренированный спортсмен, весивший 62 кг завоевал знаменитую премию Кремера. Вращая пропеллер с помощью цепной передачи велосипедного типа, он успешно пролетел намеченным курсом почти 2000 м приблизительно за 7 мин (Hirst, 1977). Это было рекордное достижение тренированного человека в идеальных условиях; подобные полеты вряд ли могут быть намного
39*
более длительными. Однако наши представления о мощностях, необходимых для машущего полета и полета с помощью пропеллера,, хорошо согласуются с данными о действительных полетах. И в самом деле, пропеллер представляет собой просто такое приспособление, в котором поверхность, создающая горизонтальную тягу, отделена от поверхности, ответственной за подъемную силу.

Рис. 11.25. Мощность, нужная для полета птицы, по сравнению с максимальной возможной мощностью. Хорошо знакомое соотношение между метаболизмом покоя и весом тела представлено в виде линии регрессии с наклоном 0,75 {1). Линия регрессии для принятой максимальной мощности (в 15 раз большей, чем в покое) идет параллельно на уровне в 15 раз более высоком (11). Вычисленная сила нужная для полета, прямо пропорциональна весу тела, и соответствующая линия регрессии с наклоном 1,0 (III) проведена так, что она пересекает линию максимальной мощности при весе тела 10 кг — приблизительной величине самых крупных летающих птиц.


Плавание в принципе не очень отличается от полета по воздуху, если не считать того, что большая плотность воды уменьшает потребность в подъемной силе. В самом деле, некоторые плавающие животные обладают той же плотностью, что и вода, и подъемная сила им вообще не нужна; вся необходимая для плавания энергия может быть использована для^ создания горизонтальной тяги. Существенное значение имеет большая плотность и вязкость воды, рыбы не плавают с такой быстротой, с какой летают птицы.
Для таких крупных животных, как рыбы, сопротивление движению растет приблизительно пропорционально квадрату скорости, что сильно ограничивает возможную скорость (Lighthill, 1974) . Мы

уже видели, как некоторые из самых крупных и быстрых хищных рыб приобрели способность поддерживать в своей «силовой установке» мышечной массе — высокую температуру для получения максимальной мощности.
Кэк мог бы организм сравняться по плотности с водой, приобрести тем самым нейтральную плавучесть и избежать затраты энергии на создание подъемной силы? Эта проблема решается самыми разными способами, к рассмотрению которых мы переходим.

Еще по теме ПОЛЕТ И ПЛАВАНИЕ:

1. Мечта о полете
2. ПОЛЕТ И ПЕРЕЛЕТЫ ПТИЦ
3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПОЛЕТА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ИМАГО И ЛИЧИНОК
4. ПОЛЕТ ЗАДНИМ ХОДОМ
5. птицы И ИХ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ К ПОЛЕТУ
6. ЕСЛИ ЧАСТО-ЧАСТО МАХАТЬ РУКАМИ...
7. Глоссарий
8. Высший уровень
9. ПРОЦЕСС ДЫХАНИЯ
10. Влияние ионизирующего излучения
11. Отряд РУКОКРЫЛЫЕ
12. Адаптивные особенности водных животных. 
13. Проблемы современной биоастронавтики
14. Влияние гиподинамии
15. V УСТОЙЧИВОСТЬ К ГИПЕРТЕРМИИ
16. Декоративные птиЦЫ
17. Часть 2. Биологические особенности нутрий
18. ЭП ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ
19. Другие особенности насекомых, приведшие к их расцвету
20. ПТИЦЫ — ОДНА ИЗ ПРОЦВЕТАЮЩИХ ГРУПП ЖИВОТНОГО МИРА