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【鸟类科普】鸟类如何安全地一头扎入水中-中国观鸟

本文转自公众号“推鸟”,编译AoranBird-lisiqi弗吉尼亚理工学院(Virginia Tech)的研究人员发现方家翊,鲣鸟的头部形状、颈部长度和潜入水中的速度共同作用以避免其潜入水中捕食时受伤。

摄影/Sunny Jung
为了突然袭击它们的猎物(狩猎机制),一些种类的海鸟潜入水中的时速超过50英里(约为80千米)每小时。而人类潜水员若以这样的速度冲入水中可能会遭受严重的伤害,但对于一些鲣鸟科鸟类,尽管它们的脖子细长,却能够安全地高速(24米每秒)俯冲进入水中。弗吉尼亚理工大学的最新研究有助于解释这些鸟类如何安全地高速俯冲进入水中。“我们对物体高速俯冲进入水中会发生什么十分感兴趣,因此我们在自然界中寻找实例,” 工程学院生物医学工程与力学系副教授谭玉龄,流体生物力学专家Sunny Jung说又见春天,“北鲣鸟在这方面表现的令人难以置信张超理。” 他还研究了狗类与众不同的饮水技巧,以及虾如何利用微小的泡沫来追捕猎物。在一项在美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表最新研究中,Jung和他的同事探讨了北鲣鸟高速俯冲进入水中这一过程的生物力学。他们发现,鸟的头部形状,颈部长度与肌肉组织及俯冲时的速度一起完美的配合,以确保水的阻力不会折断它们纤细的颈部。之前对鸟类高速俯冲进入水中这种狩猎机制的研究主要集中在生态方面,称为“高速俯冲潜水”。 而Jung的论文则首次探讨了鸟类高速俯冲进入水中却未受到伤害的潜在物理和生物力学工程原理。为了分析鸟的身体形状和颈部肌肉组织,该研究团队使用了由北卡罗来纳州自然科学博物馆(North Carolina Museum of Natural Sciences)提供的一只被救助的北鲣鸟黑眉锦蛇。并利用3-D打印技术制作了一个与史密森学会(Smithsonian Institution)收藏的鲣鸟头骨标本形状相同的复制品,帮助他们检测颅骨进入水中时的受力(如下图)。当北鲣鸟俯冲进入水中时受到的主要是水的阻力,而这个阻力随着入水速度增加而增大。为了分析有哪些其他参数影响鸟类入水时的受力,研究人员制作了一个简易模型,他们利用3-D打印技术打印了一个圆锥形颅骨套在可伸缩的如“头颈部”似的橡胶内鄢颇被砍事件,使该模型体系俯冲进入水中,并不断改变椎体角度、颈部长度以及冲击的速度。同时通过高速摄影机显示颈部是否受到损伤(如下图)。来自华盛顿特区博士四年级的学生Brian Chang说:“这就是我们所做的,我们采用一个复杂的系统,并找到一种简化它的方法,” 。他从本科开始便在Jung的实验室工作。他们的分析显示,从稳固到受到损伤电精2出招表,这其间的转变取决于头颈部的几何形状,材料特性和冲击速度逆阳之境。在北鲣鸟通常的俯冲速度下史瓦西黑洞,它狭长的喙和其颈部长度能让它受到的阻力保持在一个安全的范围之内。“我们发现杀了她喂猪,北鲣鸟有一个特殊的头部形状,这使它比同一个科的其他鸟类受到更小的阻力,”Jung说。研究人员还发现,鸟类通过在高速俯冲进入水中之前收缩颈部肌肉,矫直S形的颈部,进一步降低了颈部受损的风险。“这项研究同时暗示着人类潜水员入水的安全标准,”Jung说。人类相对于北鲣鸟处于劣势,因为与鸟类尖尖的喙部及细长的脖子相反,人类的脚底形成了一个平面并增加了入水时所受到的阻力。这股力量可以强大到足够导致骨折并引起器官和组织损伤洪荒欢乐游。随着悬崖和桥梁跳水等体育运动变得越来越普及,流体生物力学研究可以帮助确定人类潜水员的最大安全高度朴仁静,并提供推荐的跳水位置,从而将受伤的风险最小化。Jung和Chang也在应用他们对北鲣鸟潜水的研究,有一部分应用由关键技术和应用科学研究所(Institute for Critical Technology and Applied Science)和国家科学基金会(National Science Foundation)支持,在这个北鲣鸟潜水研究的启发下他们与弗吉尼亚理工大学资深设计团队合作将研究结果应用于水下导弹的自主传感设计赖长青 。欢迎关注推鸟公众号我们将为您推送关于鸟类的最新研究及资讯微信号:bird-lisiqi长按或者扫码即可关注
编辑:海风


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