Fin - Fin
Žebro je tenká složka nebo přívěsek připojený k větší orgánu nebo struktury. Ploutve obvykle fungují jako fólie, které vytvářejí vztlak nebo tah , nebo poskytují schopnost řídit nebo stabilizovat pohyb při cestování ve vodě, vzduchu nebo jiných tekutinách . Ploutve se také používají ke zvětšení povrchových ploch pro účely přenosu tepla nebo jednoduše jako ozdoba.
Ploutve se nejprve vyvinuly na rybách jako prostředek pohybu. Rybí ploutve slouží ke generování tahu a ovládání následného pohybu. Ryby a další vodní živočichové, jako jsou kytovci , se aktivně pohybují a řídí se prsními a ocasními ploutvemi . Při plavání používají jiné ploutve, jako jsou hřbetní a anální ploutve , aby dosáhly stability a zdokonalily své manévrování.
Ploutve na ocase kytovců , ichthyosaurů , metriorhynchidů , mosasaurů a plesiosaurů se nazývají motolice .
Generování tahu
Ploutve ve tvaru fólie vytvářejí při pohybu tah , zvedání ploutve uvádí do pohybu vodu nebo vzduch a tlačí ploutev v opačném směru. Vodní živočichové získávají značný tah pohybem ploutví tam a zpět ve vodě. Často se používá ocasní ploutev , ale někteří vodní živočichové vytvářejí tah z prsních ploutví . Ploutve mohou také generovat tah, pokud jsou otáčeny ve vzduchu nebo ve vodě. Turbíny a vrtule (a někdy i ventilátory a čerpadla ) používají řadu rotujících ploutví, nazývaných také fólie, křídla, paže nebo lopatky. Vrtule používají žebra k převodu síly točivého momentu na boční tah, čímž pohání letadlo nebo loď. Turbíny pracují obráceně, pomocí zvedání lopatek vytvářejí točivý moment a energii z pohybujících se plynů nebo vody.
_diagram_cropped.GIF)
Kavitace může být problémem aplikací s vysokým výkonem, což má za následek poškození vrtulí nebo turbín, stejně jako hluk a ztrátu energie. Ke kavitaci dochází, když podtlak způsobí, že se v kapalině vytvoří bubliny (dutiny), které se pak rychle a prudce zhroutí. Může způsobit značné poškození a opotřebení. Kavitační poškození může také nastat na ocasních ploutvích silných plavoucích mořských živočichů, jako jsou delfíni a tuňáci. Kavitace se pravděpodobně vyskytuje v blízkosti povrchu oceánu, kde je tlak okolní vody relativně nízký. I když mají schopnost plavat rychleji, delfíni možná budou muset omezit rychlost, protože kolabující kavitační bubliny na ocase jsou příliš bolestivé. Kavitace také zpomaluje tuňáky, ale z jiného důvodu. Na rozdíl od delfínů tyto ryby bubliny necítí, protože mají kostnaté ploutve bez nervových zakončení. Přesto nemohou plavat rychleji, protože kavitační bubliny vytvářejí kolem jejich žeber parní film, který omezuje jejich rychlost. Na tuňákovi byly nalezeny léze, které jsou v souladu s poškozením kavitací.
Scombridní ryby (tuňák, makrela a bonito) jsou obzvláště výkonní plavci. Podél okraje v zadní části jejich těl je řada malých beze paprsků, nezatahovacích ploutví, známých jako finlety . O funkci těchto finletů se hodně spekulovalo. Výzkum provedený v letech 2000 a 2001 Nauenem a Lauderem naznačil, že „finlety mají hydrodynamický účinek na místní tok při stálém plavání“ a že „nejzadnější finlet je orientován tak, aby přesměroval tok do vyvíjejícího se ocasního víru, což může zvýšit tah produkovaný ocas plavecké makrely “.
Ryby používají více ploutví, takže je možné, že daná ploutev může mít hydrodynamickou interakci s jinou ploutví. Zejména žebra bezprostředně před kaudální (ocasní) ploutví mohou být blízká žebra, která mohou přímo ovlivnit dynamiku proudění na kaudální ploutvi. V roce 2011 byli vědci využívající volumetrické zobrazovací techniky schopni vygenerovat „první okamžité trojrozměrné pohledy na bdělé struktury, jak jsou vytvářeny volně plavacími rybami“. Zjistili, že „nepřetržité údery ocasu vedly k vytvoření propojeného řetězce vířivých prstenců“ a že „probuzení hřbetní a anální ploutve je rychle strženo probudením kaudální ploutve, přibližně v časovém rámci následného úderu ocasu“.
Ovládání pohybu
Jakmile je vytvořen pohyb, samotný pohyb lze ovládat pomocí jiných ploutví. Lodě ovládají směr (vybočení) kormidla podobnými ploutvím a kutálí se stabilizačními žebry a kýlovými ploutvemi. Letouny dosahují podobných výsledků s malými specializovanými ploutvemi, které mění tvar křídel a ocasních ploutví.
.jpg)
Stabilizační ploutve se používají jako výstřel na šípy a některé šipky a v zadní části některých bomb , raket , raket a torpéd s vlastním pohonem . Ty jsou typicky rovinné a mají tvar malých křídel, i když se někdy používají mřížkové ploutve . Statické ploutve byly také použity pro jeden satelit, GOCE .
_launches_RIM-7_Sea_Sparrow_on_6_February_2004_(040206-N-2970T-002).jpg)
Regulace teploty
Technická žebra se také používají jako žebra pro přenos tepla k regulaci teploty v chladičích nebo radiátorech .
Ornamentace a další použití
V biologii mohou mít ploutve adaptivní význam jako sexuální ozdoby. Během námluv, samice cichlid , Pelvicachromis taeniatus , zobrazuje velký a vizuálně poutavý fialový pánevní ploutve . "Vědci zjistili, že muži jednoznačně preferují samice s větší pánevní ploutví a že pánevní ploutve rostly nepoměrněji než jiné ploutve na samičích rybách."
Přetváření lidských nohou plaveckými ploutvemi , podobně jako ocasní ploutev ryby, zvyšuje tah a efektivitu kopů plavce nebo podvodního potápěče Surfboardové ploutve poskytují surfařům prostředky k manévrování a ovládání jejich desek. Současné surfovací prkna mají často středovou ploutev a dvě klenuté boční ploutve.
Těla útesových ryb jsou často tvarována odlišně od ryb otevřených vod . Ryby na otevřené vodě jsou obvykle stavěny pro rychlost, aerodynamické jako torpéda, aby se minimalizovalo tření při pohybu vodou. Útesové ryby operují v relativně stísněných prostorech a složité podvodní krajině korálových útesů . Proto je tato ovladatelnost důležitější než rychlost na přímce, takže ryby z korálových útesů mají vyvinutá těla, která optimalizují jejich schopnost vrhat se a měnit směr. Přelstili dravce tím, že uhýbali do trhlin v útesu nebo si hráli na schovávanou kolem korálových hlav. Prsní a pánevní ploutve mnoha útesových ryb, jako Butterflyfish , damselfish a skaláry , se vyvinuly tak, aby mohli působit jako brzdy a umožňují složité manévry. Mnoho útesové ryby, jako je butterflyfish , damselfish a skaláry , se vyvinuly subjekty, které jsou hluboké a bočně stlačený jako palačinka, a vejde do prasklin v horninách. Jejich pánevní a prsní ploutve jsou navrženy odlišně, takže působí společně se zploštělým tělem, aby optimalizovaly manévrovatelnost. Některé ryby, jako jsou puffer ryby , filefish a trunkfish , se při plavání spoléhají na prsní ploutve a ocasní ploutve téměř vůbec nepoužívají.
Vývoj ploutví
.png)
(1) prsní ploutve (spárované), (2) pánevní ploutve (spárované), (3) hřbetní ploutev, (4) tuková ploutev, (5) řitní ploutev, (6) kaudální (ocas) ploutev
Aristoteles poznal rozdíl mezi analogickými a homologními strukturami a provedl následující prorocké srovnání: „Ptáci svým způsobem připomínají ryby. Ptáci mají totiž křídla v horní části těla a ryby mají v přední části těla dvě ploutve. Ptáci mají chodidla na spodní části a většina ryb má druhý pár ploutví ve spodní části a poblíž předních ploutví. “
- Aristoteles, De incessu animalium
Existuje stará teorie, navržená anatomem Karlem Gegenbaurem , která byla ve vědeckých učebnicích často ignorována, „že ploutve a (později) končetiny se vyvinuly ze žábry vyhynulého obratlovce“. Mezery ve fosilních záznamech neumožnily konečný závěr. V roce 2009 vědci z Chicagské univerzity našli důkaz, že „genetická architektura žábry, ploutví a končetin je stejná“ a že „kostra jakéhokoli přívěsku na těle zvířete je pravděpodobně vytvořena vývojovým genetickým programem, který vystopovali jsme zpět k tvorbě žábry u žraloků “. Nedávné studie podporují myšlenku, že žaberní oblouky a spárované ploutve jsou sériově homologní, a že se tedy ploutve mohly vyvinout ze žaberních tkání.
Ryby jsou předky všech savců, plazů, ptáků a obojživelníků. Zejména pozemní tetrapodi (čtyřnozí živočichové) se vyvinuli z ryb a své první výpady provedli na pevninu před 400 miliony let. K pohybu používali spárované prsní a pánevní ploutve. Hrudní ploutve se vyvinuly do předních končetin (u lidí paží) a pánevní ploutve se vyvinuly v zadní nohy. Velká část genetického aparátu, který staví chodící končetinu v tetrapodu, je již přítomen v plavecké ploutvi ryby.
V roce 2011 vědci z Monash University v Austrálii použili primitivní, ale stále žijící lungfish „ke sledování vývoje svalů pánevních ploutví, aby zjistili, jak se vyvíjely nosné zadní končetiny tetrapodů“. Další výzkum na Chicagské univerzitě zjistil, že lungfishes procházející se po dně již vyvinuli charakteristiky chůzí pozemských tetrapodů.
V klasickém příkladu konvergentní evoluce se prsní končetiny pterosaurů , ptáků a netopýrů dále vyvíjely po nezávislých cestách do létajících křídel. I s létajícími křídly existuje mnoho podobností s chodícími nohami a základní aspekty genetického plánu prsní ploutve byly zachovány.
Asi před 200 miliony let se objevili první savci. Skupina těchto savců se začala vracet do moře asi před 52 miliony let, čímž uzavřela kruh. Jedná se o kytovce (velryby, delfíny a sviňuchy). Nedávná analýza DNA naznačuje, že kytovci se vyvinuli z párnokopytníků a že sdílejí společného předka s hrochem . Asi před 23 miliony let se do moře začala vracet další skupina suchozemských savců podobných medvědům. To byly pečetě . To, co se stalo chodícími končetinami u kytovců a tuleňů, se dále vyvíjelo, nezávisle na reverzní formě konvergentní evoluce, zpět k novým formám plaveckých ploutví. Přední končetiny se staly ploutvemi a zadní končetiny se staly ocasem zakončeným dvěma ploutvemi, v případě kytovců se tomu říkalo nahodilost . Rybí ocasy jsou obvykle svislé a pohybují se ze strany na stranu. Kytovci jsou vodorovní a pohybují se nahoru a dolů, protože hřbety kytovců se ohýbají stejně jako u jiných savců.
Ichthyosauři jsou starověcí plazi, kteří se podobali delfínům. Poprvé se objevily asi před 245 miliony let a zmizely asi před 90 miliony let.
"Tento mořský plaz s pozemskými předky sbíhal tak silně na ryby, že ve skutečnosti vyvinul hřbetní ploutev a ocas na správném místě a se správným hydrologickým designem. Tyto struktury jsou o to pozoruhodnější, že se vyvinuly z ničeho- pozemský plaz po předcích neměl na zádech hrb ani čepel na ocase, aby sloužil jako předzvěst. “
Biolog Stephen Jay Gould řekl, že ichtyosaurus je jeho oblíbeným příkladem konvergentní evoluce .
Robotické ploutve
| Externí video | |
|---|---|
 Sumec Charlie - video CIA
| |
|
AquaPenguin - Festo, YouTube
| |
|
AquaRay - Festo, YouTube
| |
|
AquaJelly - Festo, YouTube
| |
|
AiraCuda - Festo, YouTube
|
Použití ploutví k pohonu vodních živočichů může být pozoruhodně účinné. Bylo vypočteno, že některé ryby mohou dosáhnout hnací účinnosti vyšší než 90%. Ryby mohou zrychlovat a manévrovat mnohem efektivněji než čluny nebo ponorky a produkovat méně rušení vody a hluku. To vedlo k biomimetickým studiím podvodních robotů, kteří se pokoušejí napodobit pohyb vodních živočichů. Příkladem je robotický tuňák postavený Institutem polní robotiky k analýze a matematickému modelování thunniformního pohybu . V roce 2005 vystavilo akvárium Sea Life London tři robotické ryby vytvořené katedrou počítačové vědy na univerzitě v Essexu . Ryby byly navrženy tak, aby byly autonomní, plavaly kolem a vyhýbaly se překážkám jako skutečné ryby. Jejich stvořitel tvrdil, že se snaží skloubit „rychlost tuňáka, zrychlení štiky a navigační schopnosti úhoře“.
AquaPenguin , vyvinutý Festo Německa, kopíruje tvar zjednodušeny a pohonu od přední ploutve z tučňáků . Společnost Festo také vyvinula AquaRay , AquaJelly a AiraCuda , respektive emulaci pohybu mantových paprsků, medúz a barakud.
V roce 2004 Hugh Herr z MIT vytvořil prototyp biomechatronické robotické ryby s živým aktuátorem chirurgickým transplantací svalů z žabích nohou do robota a poté nechal robota plavat pulzováním svalových vláken elektřinou.
Robotické ryby nabízejí některé výhody výzkumu, například schopnost zkoumat jednotlivou část designu ryby izolovaně od zbytku ryby. To však představuje riziko zjednodušení biologie, takže klíčové aspekty designu zvířat jsou přehlíženy. Robotické ryby také umožňují vědcům měnit jeden parametr, například flexibilitu nebo specifické ovládání pohybu. Vědci mohou přímo měřit síly, což u živých ryb není snadné. "Robotická zařízení také usnadňují trojrozměrné kinematické studie a korelované hydrodynamické analýzy, protože polohu lokomotorického povrchu lze přesně znát. A lze naprogramovat jednotlivé složky přirozeného pohybu (jako je zdvih vs. zdvih klopného přívěsku)" samostatně, čehož je při práci se živým zvířetem jistě obtížné dosáhnout. “
Viz také
- Vodní lokomoce
- Pohyb ploutve a ploutve
- Rybí pohyb
- Pohyb robota
- RoboTuna
- Plachta (ponorka)
- Surfovací prkno
Reference
Další čtení
- Blake, Robert William (2004). „Rybí funkční design a plavecký výkon“. Journal of Fish Biology . 65 (5): 1193–1222. doi : 10.1111/j.0022-1112.2004.00568.x .
- Blake, Robert William (1983) Archiv CUP Fish Locomotion . ISBN 9780521243032 .
- Breder, CM (1926). „Pohyb ryb“. Zoologica . 4 : 159–297.
- Ryby, FE; Peacock, JE; Rohr, JJ (2002). „Stabilizační mechanismus v plavání kytovců Odontocete postupnými pohyby“ (PDF) . Věda o mořských savcích . 19 (3): 515–528. doi : 10.1111/j.1748-7692.2003.tb01318.x .
- Hawkins, JD; Sepulveda, CA; Graham, JB; Dickson, KA (2003). „Studie plaveckých výkonů na východním Pacifiku bonito Sarda chiliensis , blízký příbuzný tuňáků (čeleď Scombridae) II. Kinematika“ . The Journal of Experimental Biology . 206 (16): 2749–2758. doi : 10,1242/jeb.00496 . PMID 12847120 .
- Lauder, GV; Drucker, EG (2004). „Morfologie a experimentální hydrodynamika kontrolních ploch rybích ploutví“ (PDF) . Journal of Oceanic Engineering . 29 (3): 556–571. Bibcode : 2004IJOE ... 29..556L . doi : 10.1109/jo.2004.833219 . S2CID 36207755 .
- Lauder, GV; Madden, PGA (2007). „Rybí lokomoce: kinematika a hydrodynamika pružných fóliových ploutví“ (PDF) . Experimenty s kapalinami . 43 (5): 641–653. Bibcode : 2007ExFl ... 43..641L . doi : 10,1007/s00348-007-0357-4 . S2CID 4998727 . Archivováno z originálu (PDF) dne 24. prosince 2012.
- Standen, EM (2009). „ Svalová aktivita a hydrodynamická funkce pánevních ploutví u pstruha (Oncorhynchus mykiss)“ . The Journal of Experimental Biology . 213 (5): 831–841. doi : 10,1242/jeb.033084 . PMID 20154199 .
- Tangorra JL, CEsposito CJ a Lauder GV (2009) „Biorobotické ploutve pro vyšetřování rybí lokomoce“ In: Intelligent Robots and Systems , strany: 2120–2125. E- ISBN 978-1-4244-3804-4 .
- Tu X a Terzopoulos D (1994) „Umělé ryby: fyzika, pohyb, vnímání, chování“ In: Sborník z 21. výroční konference o počítačové grafice a interaktivních technikách , strany 43–50. ISBN 0-89791-667-0 . doi : 10.1145/192161.192170
- Weihs, Daniel (2002). „Stabilita versus manévrovatelnost ve vodní lokomoci“ . Integrovaná a výpočetní biologie . 42 (1): 127–134. doi : 10,1093/icb/42.1.127 . PMID 21708701 .
externí odkazy
| Externí video | |
|---|---|
|
Robotické ryby ke sledování znečištění v přístavech YouTube
| |
|
Robotické ryby YouTube
| |
|
Robot Fish YouTube
| |
|
Robotický žralok YouTube
| |
|
Evolution of the Surfboard Fin - YouTube
|
- Pohyb v Fish Earthlife .
- Výukový program pro výpočetní dynamiku tekutin Mnoho příkladů a obrázků s odkazy na robotické ryby.
- Fish Skin Research University of British Columbia.
- Fin-tuned design The Economist , 19. listopadu 2008.