Способы передвижения и их эффективность

Почему плавание, полет и бег имеют свою собственную физику и энергетические затраты, и что делает один способ передвижения дешевле другого.

Definition

Способы передвижения — это различные способы, которыми животные перемещаются, — главным образом плавание, полет и наземное передвижение, — а эффективность передвижения — это то, насколько экономично каждый способ перемещает животное, обычно выражаемое как стоимость транспортировки, энергия, необходимая для перемещения единицы массы тела на единицу расстояния.

Scope

Эта тема охватывает основные способы передвижения животных и их энергетическую эффективность: плавание и сопротивление движению в воде, полет и создание подъемной силы, наземное передвижение и использование походки, а также сравнение этих способов через стоимость транспортировки. В ней рассматривается, как среда, размер тела и скорость определяют энергию, необходимую для преодоления заданного расстояния, и почему каждый способ эффективен в своих условиях. Охват является сравнительным и механистическим.

Core questions

• Какие физические силы доминируют при плавании, полете и беге?
• Как измеряется и сравнивается энергетическая эффективность передвижения?
• Почему животные используют разные походки на разных скоростях?
• Как среда и размер тела определяют, какой способ передвижения является самым дешевым?

Key theories

Стоимость транспортировки при различных способах передвижения

Энергия, необходимая для перемещения единицы массы тела на единицу расстояния, систематически различается при плавании, полете и беге, причем плавание, как правило, является самым дешевым, а бег — самым дорогим на единицу расстояния, и уменьшается с размером тела в каждом способе.

Выбор походки по экономичности

Наземные животные переключаются между походками, такими как ходьба, рысь и галоп, на скоростях, при которых каждая из них становится наиболее экономичной, что отражает изменение механики и энергопотребления при передвижении с изменением скорости.

Mechanisms

Каждый способ передвижения сталкивается с различными силами. Пловцы должны преодолевать сопротивление и плотность воды и создавать тягу путем волнообразных движений или использования конечностей, достигая низкой стоимости транспортировки, потому что вода поддерживает их вес. Летающие животные должны создавать подъемную силу, чтобы оставаться в воздухе, а также тягу для движения вперед, что делает полет мощным, но, в пересчете на расстояние, умеренно экономичным для животных, которые преодолевают большие расстояния. Наземные животные поддерживают свой вес против гравитации и ускоряют и замедляют свои конечности и тело с каждым шагом, что делает бег относительно затратным, хотя накопление упругой энергии и выбор походки снижают эти затраты. Сравнение способов с помощью стоимости транспортировки показывает, что для данного размера тела плавание, как правило, является самым дешевым, а бег — самым дорогим, и что более крупные животные перемещаются более экономично на единицу массы в каждом способе. Эти закономерности объясняют, почему животные приспособлены к определенным средам и расстояниям передвижения.

Clinical relevance

Сравнительное исследование эффективности передвижения способствует пониманию энергетических затрат на движение, походку и физические упражнения, а также направляет разработку эффективных транспортных средств и роботов. Эта статья является образовательным справочным материалом и не содержит медицинских рекомендаций.

History

Измерения Шмидта-Нильсена и Тейлора энергетических затрат на передвижение у различных животных и способов установили основу стоимости транспортировки, исследования Такера по энергетике полета количественно оценили стоимость полета, а анализы Александра походки и динамического подобия объяснили, почему животные движутся так, как они движутся.

Key figures

• Knut Schmidt-Nielsen
• Robert McNeill Alexander
• Charles Richard Taylor
• Vance Tucker

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• alexander2003
• hill2016

Frequently asked questions

Какой способ передвижения является наиболее энергоэффективным?

Для данного размера тела плавание, как правило, имеет наименьшую стоимость транспортировки, поскольку вода поддерживает вес животного, в то время как бег, как правило, является самым дорогим на пройденное расстояние.

Почему животные меняют походку при увеличении скорости?

Каждая походка наиболее экономична в определенном диапазоне скоростей, поэтому животные переключаются с ходьбы на рысь, а затем на галоп в тех точках, где новая походка потребляет меньше энергии.