Новое исследование от Политехнического института и университета штата Вирджиния помогает объяснить, как птицы управляют этими быстродействующими погружениями.«Мы интересовались тем, что происходит, когда объекты погружаются в воду, таким образом, мы искали примеры по своей природе; бакланы невероятны», сказал Солнечный Юнг, адъюнкт-профессор биоинженерии и механики в Колледже Разработки и эксперта в жидкой биомеханике; он также изучил необычный метод питья собак и как креветки используют микроскопические пузыри, чтобы охотиться.
В новом исследовании, опубликованном на Слушаниях Национальной академии наук, Юнг и его коллеги исследуют биомеханику погружений бакланов. Они нашли, что форма головы птиц, длина шеи и мускулатура и ныряющие скорости работают дружно, чтобы гарантировать, что сила воды не скрепляет пряжкой их стройные шеи.Предыдущие исследования ныряющих птиц сосредоточились на экологических аспектах этого охотничьего поведения, названного «дайвинг погружения». Юнг – первая бумага, которая исследует основную физику и биомеханическую разработку, которые позволяют птицам погружаться ниже воды без травмы.
Чтобы проанализировать фигуру птицы и мускулатуру шеи, команда использовала спасенный баклан, обеспеченный Музеем Северной Каролины Естественных наук. Они также создали 3D печатные точные копии черепов баклана из коллекции в Смитсоновском институте, который помог им измерить силы на черепе, поскольку это входит в воду.Основная сила, действующая на голову баклана, поскольку это погружается ниже воды, является сопротивлением, которое увеличивается со скоростью. Чтобы проанализировать, что другие параметры затрагивают силу события птицы, исследователи создали упрощенную модель из 3D печатного конуса на гибкой резиновой «шее» и погрузили эту систему в бассейн воды, изменив угол конуса, длину шеи и скорость в момент удара.
Быстродействующее видео показало, провалилась ли шея.«Это – то, что мы делаем: Мы берем сложную систему и находим способ упростить его», сказал Брайан Чанг, докторант четвертого года из Вашингтона, округ Колумбия, который начал работать в лаборатории Юнга студентом.Их анализ показал, что переход от стабильности до деформации зависит от геометрии головы, свойств материала шеи и скорости в момент удара; в типичном баклане, ныряющем, скорости, узкий, резкий клюв птиц и длина шеи держали силу сопротивления в безопасном диапазоне.
«Что мы нашли, то, что у баклана есть определенная форма головы, которая уменьшает сопротивление по сравнению с другими птицами в той же самой семье», сказал Юнг.Исследователи также обнаружили, что птицы далее снижают риск деформации, сокращая их мышцы шеи перед воздействием, выправляя S-образную шею.Команда уже расширяет их работу на другие разновидности.«Одно значение этого исследования – критерии безопасности человеческих дайверов», сказал Юнг.
Люди находятся в невыгодном положении относительно бакланов; в отличие от резкого клюва птицы и тонкой шеи, ноги людей создают плоскую поверхность, которая увеличивает силу воздействия с водой. Эта сила может быть достаточно сильной, чтобы сломать кости и орган причины и повреждение ткани.Поскольку спорт как утес и мост, ныряющий, становится более популярным, жидкое исследование биомеханики может помочь определить максимальную безопасную высоту для человеческих дайверов и сообщить рекомендациям для положений, которые могли бы минимизировать риск травмы.
Юнг и Чанг также применяют их исследование в области ныряющих птиц, поддержанных частично Институтом Критической Технологии и прикладной науки и Национального научного фонда, к их работе с Политехническим институтом и университетом штата Вирджиния высший коллектив дизайнеров на вдохновленном бакланом подводном снаряде для автономного ощущения.