Реактивное и гидродинамическое движение животных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

По теме

Реактивное и гидродинамическое движение животных

1. Общая характеристика реактивного и гидродинамического движения. Проявления их в животном мире

реактивный гидродинамический движение животное

Реактивное движение

Реактивное движение-это движение тела возникающее вследствие отделения некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. Реактивное движение названо так потому что данный вид движения имеет первопричиной реакцию тела на толчок.

Из всех известных типов движения-только реактивное не требует взаимодействия с окружающей средой. Следовательно оно может использоваться там, где окружающей среды нет, т.е. в космосе. Как пример реактивного движения рассмотрим движение ракеты.

В основе движения ракеты лежит закон сохранения импульса. Если в некоторый момент времени от ракеты будет отброшено какое-либо тело, то она приобретет такой же импульс, но направленный в противоположную сторону. В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).

Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода). Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощной струей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

Перед стартом ракеты её импульс равен нулю. В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всех остальных частей ракеты вырывающиеся через сопло газ получает некоторый импульс. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и её общий импульс должен и после запуска равен нулю. Поэтому и оболочка ракеты совсем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению.

Наиболее массивную часть ракеты, предназначенную для старта и разгона всей ракеты, называют первой ступенью. Когда первая массивная ступень многоступенчатой ракеты исчерпает при разгоне все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая, менее массивная ступень, и к ранее достигнутой при помощи первой ступени скорости она добавляет ещё некоторую скорость, а затем отделяется. Третья ступень продолжает наращивание скорости до необходимого значения и доставляет полезный груз на орбиту.

Основное уравнение движения тел переменной массы при любом законе изменения массы и при любой относительной скорости выбрасываемых частиц было получено В. И. Мещерским в 1897 г. Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы. Это уравнение имеет следующий вид:

M(dv/dt)=U(dm/dt)+F

Где (dv/dt)-вектор ускорения ракеты

U-вектор скорости истечения газов

М-масса ракеты на данный момент

(dm/dt)-ежесекундный расход массы

F-внешняя сила

Реактивное движение широко используется животном мире. Пример: моллюски, бешеный огурец.

2. Гидродинамическое движение

-это движение происходящее по законам гидродинамики.

Гидродинамика - раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкости и ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями.

Пример: сил поверхностного натяжения, гидродинамического сопротивления

При движении твердого тела в жидкости или газе также возникает сила сопротивления движению, которую называют силой вязкого трения. Но в отличие от сухого трения в жидкостях и газах отсутствует сила трения покоя. Наличие силы сопротивления движению тела в среде объясняется существованием внутреннего трения, обусловленного относительным движением слоев жидкости или газа.

Установлено, что сила вязкого трения зависит от скорости движения тела. Чем больше скорость, тем меньше сила сопротивления. Если скорость движения тела невелика, то сила сопротивления прямо пропорциональна модулю скорости:

F = kх,

где k -- коэффициент пропорциональности, который зависит от рода вязкой среды, формы и размеров тела. Если скорость движения тела возрастает, то возрастает и сила сопротивления: F=k(u в степени n), где n = 2, 3.

При увеличении скорости движения тела в жидкости или газе появляются вихри, тормозящие движение: вследствие вязкости в области, прилегающей к поверхности тела, образуется пограничный слой частиц, движущихся с меньшими скоростями. В результате тормозящего действия этого слоя возникает вращение частиц, и движение жидкости в пограничном слое становится вихревым. Если тело не имеет обтекаемой формы, то пограничный слой жидкости отрывается от поверхности тела. За телом возникает течение жидкости (газа), направленное противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся пограничный слой, следуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противоположные стороны. Жидкость, вращающаяся в вихре, движется быстрее жидкости в стационарном потоке. Поэтому с задней стороны обтекаемого тела, где образовались вихри, давление становится меньше, чем с передней. Разность давлений впереди и позади движущегося тела и создает сопротивление движению тела. В итоге с увеличением скорости сила сопротивления растет нелинейно.

Сила сопротивления зависит от формы тела. Придание телу специально рассчитанной обтекаемой формы существенно уменьшает силу сопротивления, так как в этом случае жидкость всюду прилегает к его поверхности и позади него не завихрена

Реактивное и гидродинамическое движение животных

Гребневики (лат. Ctenophora) -- тип многоклеточных животных. Это морские, преимущественно планктонные животные (реже ползающие или сидячие). Их научное название происходит от латинизированных греческих слов ctena (гребень) и pherein (носить) и связано с имеющимися у каждого гребневика характерными «гребнями» -- рядами гребных пластинок, образованных сросшимися ресничками. Размеры колеблются от 2--3 мм до 3 метров. Известно от 100 до 150 видов (точный подсчет затруднен из-за слабой разработанности системы гребневиков). Питается это животное планктоном и другими животными. Студенистое прозрачное тело гребневиков размерами от 2 мм до 2,5 м имеет двухлучевую симметрию. Тело имеет вид мешка, на одном конце которого находится рот, а на другом - органы равновесия. Гребневики плывут ртом вперёд при помощи специальных гребных пластинок - склеенных между собой пучков ресничек.

При помощи метода цифровой велосиметрии биологи визуализировали течения и завихрения воды, которые возникают вокруг и внутри охотящегося гребневика. Оказалось, что при охоте хищник движется чрезвычайно осторожно и почти не производит механических возмущений воды. Микроскопические реснички создают медленный ламинарный поток, текущий внутрь ротовых лопастей. Вместе с потоком засасывается и планктон. Степень деформации воды внутри потока ниже порога восприятия рачков, поэтому те не чувствуют опасности. Деформация воды становится существенной в тот момент, когда рачок оказывается в ловчей зоне, а тогда бежать уже поздно. Пользуются законами гидродинамики и некоторые рыбы. Осетр, взбираясь вверх по стремнинам и водопадам, ударами хвоста о воду прыгает вперед довольно далеко. Феноменальной способностью обладает живущая в американских тропиках ящерица шлемоносный василиск (Basiliscus basiliscus). Эта довольно крупная рептилия до 80 см в длину. Природа наделила ящерицу необычайно развитыми задними лапами, при помощи которых василиск может стремительно мчаться по поверхности воды,развивая порой скорость до 12 км/ч. Подобный «трюк» ящерица проделывает, спасаясь бегством от врагов или охотясь за насекомыми. Передние лапы ящерица прижимает к телу, а хвост использует как балансир и руль. Специальная фотосъемка показала, что секрет уникальных способностей василиска состоит именно в скорости, с которой рептилия ударяет по поверхности воды. Время отталкивания от водной глади измеряется тысячными долями секунды. Немногим больше василиск тратит на полный шаг, делая их несколько десятков в секунду. Во время бега задние ноги ящерицы значительно погружаются в воду -- её отталкивания от воды попеременно правой и левой ногой больше напоминают интенсивные гребки, создающие подъёмную силу и силу, двигающую ящерицу вперёд.

Водомерки, несколько семейств (Gerridae, Hydrometridae и др.) водяных клопов (отряд Heteroptera). Небольшие (от 2 до 34 мм) насекомые с тонким вытянутым телом и длинными ногами. Быстро скользят или свободно ходят по поверхности воды (отсюда название). Часто бескрылые. Нижняя поверхность тела покрыта бархатистым пушком. Около 600 видов. Распространены широко; виды рода Halobates и близких к нему встречаются в тропических частях океанов, в Европе обыкновенны виды В. родов Gerris и Hydrometra. В пресных водах СССР наиболее обычна Gerris lacustris. Водомерки -- хищники, высасывают также трупы животных. Пресноводные В. откладывают яйца на водные растения, морские -- носят их на себе. Раскинув свои длинные ноги, водомерки из семейства полужесткокрылых быстрыми толчкообразными движениями скользят по поверхности пруда. Встретив полоску ряски или других водных растений, преодолевают препятствия сильными скачками, пока опять не выйдут на чистую воду. Главное участие в передвижении играют две задние пары ног. Ноги водомерки смазаны жировым веществом и совершенно не смачиваются водой, поэтому она свободно скользит по поверхности воды.Подобным же образом натертая жиром иголка будет плавать на воде, если осторожно опустить ее на поверхность жидкости. Благодаря широкой расстановке ног, вес тела водомерки распределяется на значительной поверхности.

3. Реактивное движение

Так как скорость и дальность перемещения при реактивном движении напрямую зависит от массы отделяемого тела, выгоднее использовать этот тип движения в воде. Вот несколько морских животных , которые пользуются этим принципом.

Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.

Кальмары (лат. Teuthida) -- отряд десятиногих головоногих моллюсков. Обычно имеют размеры 0,25--0,5 м, но гигантские кальмары рода Architeuthis могут достигать 20 метров (считая щупальца) и являются самыми крупными беспозвоночными.

Кальмары обитают практически во всех климатических поясах, включая арктический. Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать - ракета копирует кальмара, поскольку ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань - мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 - 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “живой торпедой”. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет очень большие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар, даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием. Резкий поворот руля - и пловец мчится уже в обратную сторону. Вот изогнул он конец воронки назад и скользит теперь головой вперед. Выгнул ее вправо - и реактивный толчок отбросил его влево. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед, как бежал бы рак - скороход, наделенный резвостью скакуна.

Если спешить не нужно, кальмары и каракатицы плавают, ундулируя плавниками, - миниатюрные волны пробегают по ним спереди назад, и животное грациозно скользит, изредка подталкивая себя также и струей воды, выброшенной из-под мантии. Тогда хорошо заметны отдельные толчки, которые получает моллюск в момент извержения водяных струй. Некоторые головоногие могут развивать скорость до пятидесяти пяти километров в час. Прямых измерений, кажется, никто не производил, но об этом можно судить по скорости и дальности полета летающих кальмаров. И такие, оказывается, есть таланты в родне у спрутов! Лучший пилот среди моллюсков - кальмар стенотевтис. Английские моряки называют его - флайинг-сквид («летающий кальмар»). Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников - тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров - не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше. Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров. Случается, что на корабль сверкающим каскадом обрушивается множество летающих кальмаров. Античный писатель Требиус Нигер поведал однажды печальную историю о корабле, который будто бы даже затонул под тяжестью летающих кальмаров, упавших на его палубу. Кальмары могут взлетать и без разгона.

Осьминоги тоже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.

Мешковатые осьминоги плавают, конечно, хуже кальмаров, но в критические минуты и они могут показать рекордный для лучших спринтеров класс. Сотрудники Калифорнийского аквариума пытались сфотографировать осьминога, атакующего краба. Спрут бросался на добычу с такой быстротой, что на пленке, даже при съемке на самых больших скоростях, всегда оказывались смазки. Значит, бросок длился сотые доли секунды! Обычно же осьминоги плавают сравнительно медленно. Джозеф Сайнл, изучавший миграции спрутов, подсчитал: осьминог размером в полметра плывет по морю со средней скоростью около пятнадцати километров в час. Каждая струя воды, выброшенная из воронки, толкает его вперед (вернее, назад, так как осьминог плывет задом наперед) на два - два с половиной метра.

Сальпы (лат. Salpidae) -- семейство из подтипа оболочников, выделяемое в монотипный отряд Salpida, или Desmomyaria. Свободноплавающие морские беспозвоночные, обитающие главным образом в поверхностных водах океана (до глубины в несколько сот метров), где иногда образуют огромные скопления. Всего известно около 30 видов сальп. Они обитают во всех океанах, кроме Северного Ледовитого. Обладают способностью светиться (за счет симбиотических бактерий). Питаются фитопланктоном. Служат пищей некоторым рыбам и морским черепахам.

Тело цилиндрическое, длина от нескольких миллиметров до 33 см, покрыто прозрачной туникой, сквозь которую просвечивают ленты кольцевых мышц и кишечник. На противоположных концах тела расположены отверстия сифонов -- ротового, ведущего в обширную глотку, и клоакального. Сердце на брюшной стороне. Кровеносная система незамкнутая. Нервная система -- надглоточный ганглий с отходящими от него нервами. Над ним светочувствительный орган (глазок). При движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец". Это растение имеет ряд обиходных названий: бешеный огурец, бешеная дыня, горькая тыква, бальзамная груша. При созревании семян окружающая их ткань превращается в слизистую массу. При этом в плоде образуется большое давление, в результате чего плод отделяется от плодоножки, а семена вместе со слизью с силой выбрасываются наружу через образовавшееся отверстие. Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Огурец при этом отлетает в противоположную сторону.

Так же, с помощью реактивного движения перемещаются медузы и личинки стрекоз.

4. Возможное использование принципов движения животных человеком

Достижения на сегодняшний день.

Человек издревле наблюдал за животными, использовал полученные знания в своей жизни. Своеобразные способы движения животных тоже не остались без внимания. На сегодняшний день существует ряд механизмов, содержащих в себе принцип реактивного движения.

Конечно же самые известные реактивные механизмы-это ракеты. Рассмотрим принцип их действия подробнее. Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями. Подобный двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (или соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу -- толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона.

Наряду с ракетами существует целый ряд реактивных двигателей, которые устанавливаются на самые разные устройства. Реактивный двигатель -- двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Любой реактивный двигатель должен иметь по крайней мере две составные части:

· Камера сгорания («химический реактор») -- в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов.

· Реактивное сопло («газовый туннель») -- в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем создавая реактивную тягу.

Принцип реактивного движения используется также в военном деле. Первые пороховые ракеты были применены в Китае в 10 веке. В 18 веке при ведении боевых действий между Индией и Англией, а также в Русско-турецких войнах, были использованы боевые ракеты. На сегодня, конечно, снаряды более совершенны (дальность стрельбы боевой машины »Катюша-БМ-13» составляет 8470 м), но принцип реактивного движения остался.

Из всего вышесказанного видно, что принцип реактивного движения (подсмотренного у животных) активно используется человеком в его жизнедеятельности.

Размещено на Allbest.ru