Чтобы удивить свою добычу, некоторые виды морских птиц ныряют в воду со скоростью более 50 миль в час. Дайвер-человек, погружающийся в воду с такой скоростью, скорее всего, получит серьезные травмы, но птицы, такие как олуши и олуши, безопасно совершают такие погружения, несмотря на их тонкие шеи.
Новое исследование Технологического института Вирджинии помогает объяснить, как птицы справляются с этими высокоскоростными погружениями.
«Нам было интересно, что происходит, когда объекты погружаются в воду, поэтому мы искали примеры в природе; олуши просто невероятные», - сказал Санни Юнг, доцент кафедры биомедицинской инженерии и механики в Инженерно-строительном колледже. эксперт в области биомеханики жидкости; он также изучал необычную технику питья собак и то, как креветки используют микроскопические пузырьки для охоты.
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, Юнг и его коллеги исследуют биомеханику погружения олуш. Они обнаружили, что форма головы птиц, длина шеи и мускулатура, а также скорость погружения работают согласованно, чтобы сила воды не сгибала их тонкие шеи.
Предыдущие исследования ныряющих птиц были сосредоточены на экологических аспектах этого охотничьего поведения, называемого «погружением». Работа Юнга является первой статьей, в которой исследуются основы физики и биомеханики, которые позволяют птицам погружаться под воду без травм.
Чтобы проанализировать форму тела птицы и мускулатуру шеи, команда использовала спасенную олушу, предоставленную Музеем естественных наук Северной Каролины. Они также создали 3D-печатные копии черепов олуш из коллекции Смитсоновского института, что помогло им измерить силы, действующие на череп, когда он входит в воду.
Основной силой, действующей на голову олуши, когда она погружается под воду, является сопротивление, которое увеличивается с увеличением скорости. Чтобы проанализировать, какие другие параметры влияют на силу, которую испытывает птица, исследователи создали упрощенную модель из напечатанного на 3D-принтере конуса на гибкой резиновой «шейке» и погрузили эту систему в бассейн с водой, варьируя угол конуса, длину шеи и скорость удара. Скоростное видео показало, не подогнулась ли шея.
«Вот что мы делаем: мы берем сложную систему и находим способ ее упростить», - сказал Брайан Чанг, аспирант четвертого курса из Вашингтона, округ Колумбия, который начал работать в лаборатории Юнга еще будучи студентом.
Их анализ показал, что переход от устойчивости к короблению зависит от геометрии головки, свойств материала шейки и скорости удара; при типичной скорости погружения олуш узкий заостренный клюв и длина шеи птиц удерживали силу сопротивления в безопасном диапазоне.
«Мы обнаружили, что олуша имеет определенную форму головы, которая уменьшает сопротивление по сравнению с другими птицами того же семейства», - сказал Юнг.
Исследователи также обнаружили, что птицы еще больше снижают риск искривления, сокращая мышцы шеи перед ударом, выпрямляя S-образную шею.
Команда уже расширяет свою работу на другие виды.
«Одним из следствий этого исследования являются критерии безопасности для дайверов», - сказал Юнг.
Люди находятся в невыгодном положении по сравнению с олушами; в отличие от заостренного клюва и тонкой шеи у птиц ноги человека создают плоскую поверхность, что увеличивает силу удара о воду. Эта сила может быть достаточно сильной, чтобы сломать кости и вызвать повреждение органов и тканей.
По мере того, как такие виды спорта, как ныряние со скал и мостов, становятся все более популярными, исследования биомеханики жидкости могут помочь определить максимальную безопасную высоту для дайверов и предоставить рекомендации для положений, которые могут минимизировать риск травм.
Юнг и Чанг также применяют свои исследования ныряющих птиц, частично поддержанные Институтом критических технологий и прикладных наук и Национальным научным фондом, в своей работе с командой старших дизайнеров Технологического института Вирджинии над вдохновленным олушами подводный снаряд для автономного зондирования.