Физика в мире животных: дятел и его «отбойный молоток»

Дятлы (лат. Picidae) — крупное семейство птиц, в которое входит 233 вида. В большинстве случаев дятлы обитают в лесах. Это лазающие древесные птицы, которые летают, хотя и не очень хорошо. Подавляющее большинство представителей семейства отличаются от других птиц необычным долотообразным клювом. С его помощью дятлы долбят кору и сердцевину дерева, стараясь найти основную свою пищу: насекомых и их личинок.



Свой крепкий клюв дятлы используют не только для добычи пищи, но и для создания гнезд, которые обычно устраивают в дуплах деревьев. Стучат по дереву дятлы и для связи друг с другом. Весной самцы многих видов дятлов барабанят клювом по сухим деревьям. Такие трели, наверное, слышали многие читатели. Тело дятла практически идеально адаптировано к его образу жизни. Благодаря этому дятел может выдерживать значительные нагрузки, которые смертельно опасны для многих других живых организмов.



Для того, чтобы пополнять запасы энергии, дятлам приходится постоянно есть. Например, черный дятел всего за один «прием пищи» может съесть около тысячи муравьев или несколько сотен личинок короедов. Зеленый дятел ест и того больше — за день он съедает около двух тысяч муравьев.

Дятлов называют санитарами леса, и это, в принципе, правда. Птица, поедая большое количество личинок вредителей деревьев или взрослых насекомых предотвращает неконтролируемое увеличение популяции вредителей.

Нагрузки, которые выдерживает дятел

Средняя скорость нанесения ударов дятлом — 20-25 движений за секунду. Общее количество ударов, наносимое дятлом по дереву в день — 8000-12000. Для того, чтобы птица имела возможность выдерживать перегрузки, связанные с долблением деревьев, ее череп и скелет должны быть необычайно крепкими. Если бы по дереву с такой скоростью била любая другая птица, то уже через несколько ударов она бы умерла от перегрузок.





Мы не в состоянии выдержать перегрузки больше 80-100 g. Наибольшая (кратковременная) перегрузка автомобиля, при которой человеку удалось выжить — 179,8 g. Парашютисты при раскрытии парашюта испытывают перегрузки вплоть до 10 g. Летчики, выполняющие фигуры высшего пилотажа, получают перегрузки вплоть до 12 g.

Клюв дятла достаточно прочный для того, чтобы долбить дерево и не ломаться или деформироваться. Кончик клюва большинства видов дятлов похож на зубило. Благодаря этому птицы могут «работать» с самыми твердыми видами древесины. При активном долблении повышается температура головного мозга. Поэтому дятел не может все время долбить, ему приходится делать перерывы, чтобы сбросить температуру.

У дятла не только прочные череп и клюв. Эта птица оснащена «амортизатором» в виде спинномозговой жидкости, которая подавляет вибрацию. Амортизационная система дятла включает также эластичный клюв, жилистую и пружинистую подъязычную кость (гиоид), а также особую губчатую кость в голове. Гиоид — это скорее хрящ, чем костная ткань. Располагается он не только в глотке, но также заходит в носоглотку, оборачивая череп. Таким образом, черепная коробка птицы представляет собой один из наиболее совершенных природных амортизаторов.



Смягчает удар не один фактор, а целая их система. Во время долбления дерева клюв движется перпендикулярно поверхности, по которой бьет дятел.



Если бы удар наносился не перпендикулярно, а немного под углом, амортизационный механизм птицы не сработал бы, и она могла бы просто погибнуть. Но здесь работает слаженная система мышц, которая позволяет голове и клюву двигаться по прямой линии. При ударе клюва сразу же срабатывают мышцы, оттягивающие череп дятла от места нанесения удара.

Для того, чтобы разместить в пределах черепа все эти амортизационные приспособления, дятлу пришлось поступиться размером мозга. В процессе эволюции он уменьшился. Причем уменьшение объема мозга не привело к тому, что дятлы стали «глупее». На деле дятлы отличаются высокой организацией поведения. Они обладают сложными территориальными и гнездовыми повадками.

Но у птиц за «интеллект» отвечают полосатые тельца и слой, который носит название гиперстриатум. Эти части головного мозга небольшие по размеру, так что дятел может обходиться относительно маленьким мозгом.

Защищены от удара и глаза птицы. При ударе о дерево на глаз дятла опускается третье веко (мигательная перепонка). Она оберегает глазное яблоко от вибрации, не допуская расслоения сетчатки.

Еще одна уникальная черта дятла — его длинный язык. У всех птиц язык прикреплен к задней части клюва. А вот у дятла язык выходит из правой ноздри, разделяясь на две половины. Эти две половинки охватывают голову птицы и шеей, выходя через отверстие в клюве. После этого они соединяются. Языком дятлы достают личинок насекомых из глубоких ходов, проделанных в древесине.



Для того, чтобы разместить в пределах черепа все эти амортизационные приспособления, дятлу пришлось поступиться размером мозга. В процессе эволюции он уменьшился. Причем уменьшение объема мозга не привело к тому, что дятлы стали «глупее». На деле дятлы отличаются высокой организацией поведения. Они обладают сложными территориальными и гнездовыми повадками.

Но у птиц за «интеллект» отвечают полосатые тельца и слой, который носит название гиперстриатум. Эти части головного мозга небольшие по размеру, так что дятел может обходиться относительно маленьким мозгом.



Ну а для того, чтобы легко перемещаться по стволам деревьев, дятлы используют Х-образную конструкцию лапок. Два пальца на лапке дятла направлены вперед, а два — назад. У большинства птиц других видов три пальца направлены вперед, а один — назад. Держаться за кору помогают цепкие когти, прочные кости пальцев и сухожилия. Все это обеспечивает надежное сцепление с деревом, и дятел не падает даже во время самой активной «работы».

Источник

#биология, #дятел, #физика

Физика в мире животных: птицы-ныряльщики и их система безопасности



Некоторые виды морских птиц способны нырять на большие глубины с очень высокой начальной скоростью. Некоторые виды птиц пикируют с высоты, погружаясь в воду без вреда для себя. Человек, если бы погружался в воду на такой же скорости, получил бы очень серьезные повреждения внутренних органов и, с высокой вероятностью, умер бы. Но птицы без проблем переносят быстрое погружение в глубину. Этим отличаются, например, олуши. Олуши — крупные птицы, свободно парят над океаном и добывают рыбу и кальмаров, ныряя в воду с высоты 10—100 м на глубину до 25 м. Длина тела взрослых особей рода Sula составляет 71—91 см, размах крыльев — до 1,5 м, вес 0,7—1,5 кг. При нырянии могут развивать скорость у поверхности воды до 140 км/ч.

Как образом эти птицы способны на подобное? У олушей есть несколько защитных механизмов слухового и зрительного аппаратов и всего тела. Завершенное недавно исследование группы ученых Виргинского политехнического института прояснило ситуацию. Резульатты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Нам было интересно, что происходит с птицами, когда они погружаются в воду. Олуши показали просто невероятный результат», — говорит Санни Джанг (Sunny Jung), один из участников команды исследователей. Исследователи в ходе своей работы изучили биомеханику олушей во время ныряния. Они обнаружили, что форма головы птиц, длина шеи и особенности мускулатуры шеи эффективно сопротивляются начальному сопротивлению и растущему с глубиной давлению столба воды, предотвращая негативное воздействие высокого давления на тонкую шею и все тело птицы. Основная сила, действующая на голову птицы в начале погружения — это сопротивление. Его олуши без проблем научились преодолевать.

Предыдущие исследования фокусировались на экологических аспектах хищнических инстинктов олушей. Джанг с коллегами решили изучить механизм погружения олушей в воду. Группа ученых первой выяснила многие детали физики погружения, включая и особенности строения тела, которые позволяют олушам отлично чувствовать себя на большой глубине. Ученые создали модель тела и шеи (с мускулатурой). Также специалисты распечатали на 3D принтере копии черепов олушей. Копии был созданы на основе настоящих черепов, предоставленных Смитсониановским институтом.

Благодаря «распечатке» ученые смогли измерить силы, которые действуют на голову и шею птицы во время нырка. Для дополнительного изучения возможностей олучшей ученые создали 3D-модель головы и шеи олуши. Модель, было решено сделать упрощенной, постепенно усложняя в ходе работы. Голову надели на гибкую прорезиненную «шею». Всю систему затем несколько раз погружали в воду, испытывая процесс ныряния олушей. «Голову» и «шею» погружали на разную глубину под разными углами. Искусственную шею покрывали разными материалами с различными свойствами. Процесс погружения снимали на высокоскоростную камеру, которая и помогла установить истину.

«Это именно то, что мы сделали. Нашли сложную систему и решили ее упростить», — говорит Браян Чанг (Brian Chang) из Ваншингтонского университета. Результат анализа показал, что, в зависимости от геометрии головы, сильное давление на нее может не оказать почти никакого влияния, а может и сильно повредить здоровью птицы. Также ученые изучали прочность шеи, которая способна вынести огромные нагрузки.

«Мы обнаружили, что у всех олуш голова видоизменена особым образом, что характерно для других птиц семейства. Это снижает влияние толщи воды на череп. Как оказалось, причина еще и в том, что олуши перед погружением сильно сокращают мышцы шеи, что не приводит к смерти этих птиц. Как оказалось, перед погружением олуши сильно сокращают мышцы на шее и тем самым снижают влияние сопротивления воды на организм.

Биомеханика позволила ученым создать модели скелетов не только олушей, о которых идет речь в этой статье. „В своем исследовании мы сконцентрировались на олушах и бакланах, которые демонстрируют настоящую фантастику, когда дело доходит до охоты при помощи ныряния“. Выяснилось, что большое значение для преодоления сопротивления воды имеет форма головы, свойства материала шеи, скорость входа в воду. При нырке тело олуши принимает вытянутую форму, птица входит в воду, как стрела, выпущенная из лука.



Тело олушей идеально приспособлено для скоростного ныряния. Интересно, что у других представителей семейства способности нырять в воду, срываясь с высоты и пикируя нет.

У человека, к сожалению, нет возможности защититься при нырянии на глубину за считанные минуты, как это делают птицы. Но нырять с высоты многим людям нравится. Сейчас все более популярными становятся такие виды экстремального спорта, как прыжки с воду с большой высоты — с мостов, утесов и других высоких объектов. Результаты исследования, полученные учеными, помогут разработать рекомендации для экстремалов, позволяющие избежать повреждений при входе в толщу воды.

«Мы считаем, что наши выводы могут использовать реальные дайверы», — говорят ученые.

(С)

Физика в мире животных: тукан и его клюв



Даже те люди, кто совсем не ориентируется в видах птиц, и не знает, какая птица как выглядит, без труда узнают представителя семейства тукановых. Живут туканы в равнинных и горных тропических лесах Северной и Южной Америки, обычно в дуплах деревьев. У большинства птиц этого семейства непропорционально большой клюв. Обычно он очень ярко окрашен.

Клюв тукановых достигает примерно половины длины тела птицы. Выглядит этот «инструмент» очень тяжелым и неудобным, но на самом деле это не так. Внутри огромного клюва много пневматических полостей, поэтому он легкий. Но клюв тукана не только легкий, но еще и очень крепкий. Этот настоящее чудо природы, один из лучших инженерных «проектов» в мире животных.

Такой клюв выглядит даже немного угрожающе. Но сама птица никакой угрозы ни для кого не представляет (разве что для зверя, напавшего на птенцов). Туканы — растительноядные птицы, которые питаются ягодами и фруктами. Большой клюв нужен тукану для того, чтобы срывать плоды с тонких веток, которые вес птицы не выдержат. Благодаря длинному клюву тукан может дотянуться до плода, который висит недосягаемо далеко для большинства других растительноядных птиц. Туканы занимаются еще и тем, что перебрасываются ягодами — и здесь большой и цепкий клюв приходится как нельзя кстати.

Для того, чтобы плоды было легче удерживать и вскрывать, на конце клюва расположены зазубрины. Помогает в этой «работе» и длинный и липкий язык. Ряд специалистов полагает, что большой и яркий клюв тукана помогает ему находить сородичей, заявляя о собственном присутствии.

Когда человек видит тукана, чаще всего возникает вопрос о том, как же эта птица спит. Как вообще можно спать с таким клювом? Ответ прост. Отдыхает птица в глубоком дупле, закину клюв на спину. Помещается он там идеально. Хвост складывается на груди, и большой тукан превращается в средних размеров пернатый шарик.

Конструкция клюва



Как уже говорилось выше, клюв тукана вовсе не так тяжел, как это могло бы показаться. Клюв очень прочный, но он создан из легкого материала с большим количеством пневматических полостей. Изучением клюва тукана занимаются не только орнитологи, но также и ученые других специальностей, например, материаловеды. Лучше всех клюв изучил Марк Андрэ Мейерс [Marc A. Meyers], специалист по материаловедению из Калифорнийского университета.

Он обнаружил, что верхняя часть клюва состоит из костной ткани и мембран. Нечто подобное можно было бы создать из пены, которая умеет быстро застывать. Эта костная «пена» расположена между внешними слоями кератина. Это вещество, к примеру, входит в состав наших ногтей. «Пенообразная» структура клюва тукана обеспечивает его прочность и легкость. Внешний слой костной ткани представляет собой набор большого количества слоев небольших шестиугольных плиток. Ширина плитки составляет около 50 мкм, а толщина — около 1 мкм. Костный материал закрыт сверху кератиновыми чешуйками, скрепленными вместе.



Специалист по материаловедению Марк Мейерс провел компьютерное моделирование, и выяснил, что конструкция клюва тукана является почти идеальной. «Это как если бы тукан владел глубокими познаниями в сфере машиностроения», — говорит Майерс. «Большим сюрпризом является еще и то, что двухслойная структура клюва создает систему поглощения энергии удара высокой эффективности». Структура клюва немного напоминает внутреннюю структуру костей человека. Но в костях нет той «костной пены», которая есть в клюве птицы.



Недавно также выяснилось, что клюв тукана помогает птице регулировать температуру своего тела. Он действует по принципу автомобильного радиатора. Когда становится жарко, клюв тукана очень быстро нагревается, принимая на себя тепло тела. Избыточная тепловая энергия затем рассеивается в воздухе.

В клюве туканов большое количество кровеносных сосудов. Используя особый механизм, птица может увеличивать или ограничивать приток крови. В результате в жару тело птицы охлаждается, а когда становится холодно — тепло тела сохраняется.



Изучив особенности строения клюва туканов, специалисты занялись разработкой прочных и легких материалов со структурой, похожей на структуру клюва тукана. Такие материалы можно будет с успехом применять в промышленности. Например, сделать эффективный и надежный бампер для автомобиля или легкую и прочную деталь для самолета.

Изучение особенностей строения клюва туканов еще продолжается. И кто знает, возможно, ученые смогут раскрыть еще не один секрет этого чудесного инструмента.

(С)

Физика в мире животных: жук-бомбардир и его «орудие»



Жуки-бомбардиры представлены подсемействами Brachininae и Paussinae (семейство жужелицы). Встречаются бомбардиры повсеместно, их нет разве что в Антарктиде. Более известным является подсемейство Brachininae. Его представителей ученые изучили лучше всего.

Размер жуков этого подсемейства самый разный. Максимальный размер жука-бомбардира составляет 3 см. Выглядят они обычно, нет ни ярких надкрылий, ни особенно больших жвал. Зато есть нечто другое — способность стрелять во врага ядовитой жидкостью, температура которой достигает 100 °C. При этом жидкость сама по себе примечательна, не говоря уже о процессе «выстрела».

Что это за жидкость?

Стреляют жуки смесью гидрохинонов и пероксида водорода. Эта смесь вырабатывается двумя симметричными железами внутренней секреции. Вещества, выработанные железами, поступают в специальный резервуар с укрепленными стенками. Есть еще и резервуары поменьше, содержатся каталаза и пероксидаза. Их стенки также укреплены, и они связаны с центральным резервуаром. Мышцы, которые отвечают за открытие и закрытие «ствола», плотно сжаты. Аналогичным образом закрыты и камеры с реагентами. Когда жук спокоен, жидкости не смешиваются, все «колбы» плотно закрыты.

Как только жуку нужно выстрелить, стенки большого резервуара сжимаются, и вещества из меньших камер выдавливаются в основной «реактор». Здесь ферменты вступают в реакцию с пероксидом водорода, в результате чего образуется атомарный кислород. Это очень сильный окислитель, который вступает в реакцию с гидрохинонами, окисляя их до хинонов (ученым удалось выяснить химических состав этих веществ — это 2-метил-1,4-бензохинон).



Обе реакции проходят с выделением большого количества тепла — смесь разогревается до 100 °C. Не забываем, что все это происходит не в стеклянном сосуде вроде колбы или пробирки, а в организме живого существа. Как только в основной камере появляется еще и кислород, объем вещества увеличивается, и вся эта смесь выбрасывается через отверстия на кончике брюшка насекомого. Отдельные выстрелы контролируются при помощи специальной мембраны. Если давление в резервуаре превышает определенный уровень, мембрана открывается, смесь выбрасывается, давление снижается. Мембрана закрывается. После этого процесс повторяется, и так до полного истощения реагентов в камерах брюшка жука. Пульсация необходима для того, чтобы резервуар, где происходит основная реакция, успевал остыть до момента нового выстрела.

Кончик брюшка у насекомого очень подвижен. При «стрельбе» благодаря этой подвижности жук может прицеливаться, причем очень точно. Он способен «выстрелить» под себя, за себя, над головой, направо, налево и вверх. Бомбардиры ряда видов выстреливает жидкость не струей, а серией выстрелов, продолжительность каждого составляет от 8 до 17 мс. Скорость выброса жидкости достигает 10 м/с. Помня о том, что враг жука обычно находится совсем рядом, можно говорить, что «снаряд» настигает врага практически мгновенно. Муравей, жук большего размера или даже лягушка, собиравшиеся схватить бомбардира, обычно ничего не успевают сделать.



Для того, чтобы изучить процесс «стрельбы» Эрик Арндт (Eric Arndt) и его коллеги из Массачусетского технологического института использовали сложную систему. Она состоит из излучателя рентгеновского синхронного излучения и скоростной камеры, которая способна делать до 2000 кадров в секунду.

Выбрасывать отпугивающую жидкость могут и другие жуки. В частности, жужелицы ряда видов умеют выбрасывать едкую жидкость в разных направлениях. Но внутри их брюшка не происходит никакой реакции — эта жидкость вырабатывается специальными железами. Ни нагревания до высокой температуры, ни значительного давления в этом случае нет.

Интересно еще и то, что самцы и самки бомбардиров могут «стрелять» одинаково точно. Но вот приспособления для выстрелов у них несколько различаются, хотя сама реакция, резервуары и все прочее абсолютно такое же.



Как выживает сам бомбардир?

Это сложный вопрос, на который энтомологи (и не только они) пытались найти ответ не один год. Все дело в том, что камеры с реактивами и главный резервуар покрыты особой тканью. Эта ткань не только устойчива к содействию всех химических веществ, принимающих участие в реакции, но и выдерживает высокую температуру. Плюс ее теплопроводность мала, так что тепло не распространяется по всему организму жука, нагревается лишь главный резервуар. Резервуар при «выстреле» не растягивается.

Жук-бомбардир и авиация

Система органов жука, где проводится химическая реакция и выброс жидкости, может иметь важное значение для человека. Во-первых, данные изучения процесса импульсного «выстрела» жука могут пригодиться инженерам, проектирующим различные двигатели, включая реактивные двигатели для самолетов. Возможно, технология точного и быстрого впрыска поможет обеспечить восстановление работоспособности движка после его случайной остановки.

Ученым предстоит еще многое выяснить, сейчас основное внимание специалистов сосредоточено на камере, где происходит реакция окисления реагентов. Изучение строения этой камеры может помочь создать термостойкий, устойчивый к действию активных химических веществ материал. Он пригодится в промышленности, науке, военном деле.

Что еще?

Жук-бомбардир очень по душе креационистам. Они утверждают, что такая сложная специализированная система не могла появиться в процессе эволюции. Ну а раз так, то жук появился вдруг и сразу в качестве божественного творения. Сейчас ученые смогли найти промежуточные звенья эволюции жука-бомбардира, где «орудие» постепенно становится все более сложным. Да и современные представители подсемейств бомбардиров «вооружены» по-разному. У некоторых жуков наведение идет при помощи надкрыльев, а не брюшка. Другие бомбардиры выбрасывают лишь слегка нагретую жидкость, а ряд видов так и вообще выделяют лишь едкую жидкость без подогрева. Различаются у них и камеры — можно проследить развитие «лаборатории» от простой системы к сложной. Так что ни о какой «божественности» жука не может быть и речи.

(С)