飞行和游泳的动物以调整为高功率效率的斯特鲁哈尔号航行
Graham K Taylor1, Robert L Nudds, Adrian L R Thomas
1Zoology Department, University of Oxford, Tinbergen Building, South Parks Road, Oxford OX1 3PS, UK. graham.taylor@zoo.ox.ac.uk
Nature
|October 17, 2003
概括
鱼类,鸟类和蝙蝠等动物通过使用Strouhal数 (St) 的特定范围来优化其运动效率,Strouhal数是和游泳的关键无维参数. 这表明了有效推进的普遍原则.
科学领域:
- 生物力学 生物力学
- 流体动力学 流体动力学
- 动物的运动 动物的运动
背景情况:
- 无维数,如斯特鲁哈尔数 (St),在生物力学中对于理解不同尺度和介质的动态相似性至关重要.
- 斯特鲁哈尔数 (St = fA/U) 关系到冲击频率 (f),振幅 (A) 和前进速度 (U),并且已知会影响振荡系统中的动力学.
- 之前的研究表明,鱼类等水生动物的高推进效率是在狭窄的St范围 (0.2 < St < 0.4) 内实现的.
研究的目的:
- 调查与峰值推进效率相关的斯特鲁哈尔数范围是否在各种动物群体中保持,包括陆地和空中脊椎动物和无脊椎动物.
- 为了确定自然选择是否有利于最佳的斯特鲁哈尔数,以在游泳,飞行和潜在的其他动物运动模式中有效地运动.
- 确定优化斯特鲁哈尔数是否是自然界基于升降器的振荡推进的一般原则.
主要方法:
- 对各种游泳,飞行和潜在爬行动物的动力学 (频率,振幅) 和速度的现有数据和文献进行分析.
- 计算不同物种的斯特鲁哈尔数,用于各种运动模式.
- 计算的斯特鲁哈尔数与最佳推进效率的已知范围进行比较.
主要成果:
- 像海豚,鱼和骨鱼等游泳动物始终在0.2到0.4.4的最佳范围内表现出斯特鲁哈尔数.
- 鸟类,蝙蝠和昆虫在巡航飞行期间也会汇聚在这个狭窄的斯特鲁哈尔数范围 (0.2-0.4).
- 在非巡航行为中,可能会出现与此范围的偏差,但为了高效的向前飞行,保持最佳的斯特鲁哈尔数.
结论:
- 这些发现强烈表明,自然选择限制了动物用于高效移动的斯特鲁哈尔数,特别是在巡航期间.
- 不同动物群体在0.2-0.4斯特鲁哈尔数区间的趋同,突出了基于振荡式升降的高效推进的基本原则.
- 调整动力学以达到最佳的斯特劳哈数似乎是一个广泛的进化策略,以尽量减少动物运动期间的能量消耗.
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