Физика в мире животных: птицы-ныряльщики и их система безопасности
Некоторые виды морских птиц способны нырять на большие глубины с очень высокой начальной скоростью. Олуши, например, 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.
