Как птицы безопасно ныряют на высокой скорости? Новое исследование объясняет
Некоторые морские птицы, такие как олуши, ныряют в воду на скорости свыше 50 миль в час, чтобы застать добычу врасплох. Новое исследование Виргинского технологического института объясняет, как птицам удаётся избегать травм при таких скоростях, несмотря на их тонкие шеи.
Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые изучило физику и биомеханику, лежащие в основе этого поведения, известного как "ныряние с пике".
Методы исследования
- Для анализа формы тела и мускулатуры шеи использовалась туша олуши, предоставленная Музеем естественных наук Северной Каролины.
- Были созданы 3D-печатные копии черепов олуш из коллекции Смитсоновского института для измерения сил, действующих на череп при входе в воду.
- Упрощённая модель (3D-печатный конус на гибкой резиновой "шее") погружалась в воду для экспериментов с изменением угла конуса, длины шеи и скорости удара.
Ключевые выводы
Основная сила, действующая на голову птицы при входе в воду — сопротивление (drag), которое возрастает со скоростью. Переход от стабильности к изгибу (buckling) шеи зависит от:
- Геометрии головы: Узкая заострённая форма клюва олуши уменьшает сопротивление по сравнению с другими птицами того же семейства.
- Свойств материала шеи.
- Скорости удара: При типичных для олуш скоростях ныряния сила сопротивления остаётся в безопасном диапазоне.
Также было обнаружено, что птицы дополнительно снижают риск, сокращая мышцы шеи перед ударом, выпрямляя её S-образную форму.
Практическое применение
- Безопасность людей: Исследование может помочь определить максимально безопасную высоту для ныряльщиков (например, при клифф-дайвинге) и рекомендовать позиции, минимизирующие риск травм. Плоская поверхность ступней человека создаёт большую силу удара, чем заострённый клюв птицы.
- Инженерия: Результаты работы уже применяются в проекте студенческой команды по созданию подводного снаряда для автономного зондирования, вдохновлённого олушами.
Исследование поддержано Институтом критических технологий и прикладных наук и Национальным научным фондом.