Các phương thức di chuyển và hiệu quả

Tại sao bơi lội, bay và chạy đều có vật lý và chi phí năng lượng riêng, và điều gì làm cho một cách di chuyển rẻ hơn cách khác.

Definition

Các phương thức di chuyển là những cách riêng biệt mà động vật tự đẩy mình — chủ yếu là bơi lội, bay và di chuyển trên cạn — và hiệu quả di chuyển là mức độ tiết kiệm của mỗi phương thức khi di chuyển một con vật, thường được biểu thị bằng chi phí vận chuyển, tức là năng lượng cần thiết để mang một đơn vị khối lượng cơ thể đi một đơn vị quãng đường.

Scope

Chủ đề này bao gồm các phương thức di chuyển chính của động vật và hiệu quả năng lượng của chúng: bơi lội và lực cản khi di chuyển trong nước, bay và việc tạo ra lực nâng, di chuyển trên cạn và việc sử dụng các kiểu dáng đi, và sự so sánh các phương thức này thông qua chi phí vận chuyển. Nó đề cập đến cách môi trường, kích thước cơ thể và tốc độ quyết định năng lượng cần thiết để di chuyển một quãng đường nhất định và tại sao mỗi phương thức lại hiệu quả trong điều kiện riêng của nó. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ chế.

Core questions

• Những lực vật lý nào chi phối việc bơi lội, bay và chạy?
• Hiệu quả năng lượng của sự di chuyển được đo lường và so sánh như thế nào?
• Tại sao động vật sử dụng các kiểu dáng đi khác nhau ở các tốc độ khác nhau?
• Môi trường và kích thước cơ thể quyết định phương thức di chuyển nào là rẻ nhất như thế nào?

Key theories

Chi phí vận chuyển giữa các phương thức di chuyển

Năng lượng để di chuyển một đơn vị khối lượng cơ thể một đơn vị quãng đường khác nhau một cách có hệ thống giữa bơi lội, bay và chạy, với bơi lội thường là rẻ nhất và chạy là đắt nhất trên mỗi quãng đường, và giảm theo kích thước cơ thể trong mỗi phương thức.

Lựa chọn dáng đi theo tính kinh tế

Động vật trên cạn chuyển đổi giữa các dáng đi như đi bộ, chạy nước kiệu và phi nước đại ở những tốc độ mà mỗi dáng đi trở nên kinh tế nhất, phản ánh sự thay đổi cơ học và sử dụng năng lượng của sự di chuyển theo tốc độ.

Mechanisms

Mỗi phương thức di chuyển phải đối phó với các lực khác nhau. Động vật bơi lội phải vượt qua lực cản và mật độ của nước và tạo ra lực đẩy bằng cách uốn lượn hoặc sử dụng các chi phụ, đạt được chi phí vận chuyển thấp vì nước hỗ trợ trọng lượng của chúng. Động vật bay phải tạo ra lực nâng để duy trì trên không cũng như lực đẩy để di chuyển về phía trước, khiến việc bay trở nên mạnh mẽ nhưng, tính trên mỗi quãng đường, khá tiết kiệm đối với những loài di chuyển xa. Động vật trên cạn phải chống đỡ trọng lượng của mình chống lại trọng lực và tăng tốc, giảm tốc các chi và cơ thể của chúng theo mỗi bước đi, điều này làm cho việc chạy tương đối tốn kém, mặc dù việc lưu trữ năng lượng đàn hồi và lựa chọn kiểu dáng đi giúp giảm chi phí. So sánh các phương thức bằng chi phí vận chuyển cho thấy rằng, đối với một kích thước cơ thể nhất định, bơi lội thường là rẻ nhất và chạy là đắt nhất, và rằng các loài động vật lớn hơn di chuyển tiết kiệm hơn trên mỗi đơn vị khối lượng trong mỗi phương thức. Những mô hình này giải thích tại sao động vật thích nghi với các môi trường và quãng đường di chuyển cụ thể.

Clinical relevance

Nghiên cứu so sánh về hiệu quả di chuyển cung cấp thông tin để hiểu về chi phí năng lượng của chuyển động, dáng đi và tập thể dục, đồng thời hướng dẫn thiết kế các phương tiện và robot hiệu quả. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục và không cung cấp hướng dẫn y tế.

History

Các phép đo chi phí năng lượng của sự di chuyển trên các loài động vật và các phương thức của Schmidt-Nielsen và Taylor đã thiết lập khuôn khổ chi phí vận chuyển, các nghiên cứu về năng lượng học của chuyến bay của Tucker đã định lượng chi phí bay, và các phân tích về dáng đi và sự tương đồng động lực học của Alexander đã giải thích tại sao động vật di chuyển theo cách chúng làm.

Key figures

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

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• alexander2003
• hill2016

Frequently asked questions

Cách di chuyển nào hiệu quả năng lượng nhất?

Đối với một kích thước cơ thể nhất định, bơi lội thường có chi phí vận chuyển thấp nhất vì nước hỗ trợ trọng lượng của động vật, trong khi chạy có xu hướng tốn kém nhất trên mỗi quãng đường di chuyển.

Tại sao động vật thay đổi dáng đi khi tăng tốc?

Mỗi dáng đi là kinh tế nhất trong một phạm vi tốc độ nhất định, vì vậy động vật chuyển từ đi bộ sang chạy nước kiệu rồi phi nước đại tại những điểm mà dáng đi mới sử dụng ít năng lượng hơn.