跑步，壁虎，跑步：壁虎混合水运动机制

在这个美丽的星期五，我们为什么不休息一下量子物理学，材料科学和化学？ 你说什么 毕竟，科学研究，研究和发现的世界并不局限于一个方向。 物理，化学，生物学，天文学等 -每天我们在这些领域学到新东西，而仅通过物理学将注意力集中在您身上是错误的。 因此，今天将有一点生物学。 在主题和方向上研究各种科学出版物时，我遇到了一个奇怪的发现。 而且由于此发现的主要特征是我一直喜欢的生物，所以我不能错过。 因此，发现说-普通壁虎能够在水上奔跑。 不太令人印象深刻吗？ 不要急于下结论，因为与其他动物不同，这些小巧的蜥蜴立即使用多种技术来进行这种运动。 如果您仍然想知道他们是如何做到的，我们不会迟到。 走吧

主角

壁虎不是一种生物，而是一个全族，共有1100多种，从大小和颜色到栖息地和饮食，每种都有自己的个性。 壁虎的外观可能非常不寻常，但这是由于该物种的栖息地和习惯所致。


叶尾壁虎

例如，这种婴儿，叶尾壁虎，很容易藏在干燥的树叶中。 没错，他的出现促使发现者给他起了一个不太可爱的名字-撒旦叶尾壁虎（satanic leaf-tailed壁虎）。 在我的脑海中，从他的外表来看，只有一个字-Drakaris。 :)

至少在许多物种中，所有这些斑驳的（或更确切地说，是鳞状的）弟兄都具有共同的特征。 最引人注目的是他们描绘蜘蛛侠的能力，或者说紧贴几乎所有表面并不仅沿墙壁垂直移动，而且还可以在天花板上移动的能力。 最有趣的是他们能够做到这一点的原理-壁虎的四肢覆盖了许多细小的毛发。 由于范德华力（Van der Waals）的作用，这些毛发紧贴表面。 按照相同的原理，上述漫画英雄紧贴表面。


左边是电影蜘蛛侠（2002）的框架，右边是壁虎脚上枕头的宏观照片。

另外，一定不要忘记壁虎令人难以置信的眼睛。 主要在夜间活动的物种的光敏性增强。 换句话说，他们的眼睛甚至能够吸收少量的光线，甚至可以识别黑暗中的颜色。 视觉壁虎已被反复研究。 例如，在这项研究中，科学家描述了两种壁虎的不同眼部特性：白天的马达加斯加腓力 （ Melsaga madagascariensis） （白天的大型壁虎）和夜间的塔伦托拉chazaliae （带头盔的壁虎）。


Gekko smithii（大的讨人喜欢的壁虎或Smith壁虎）的眼睛外观。

但是今天我们聚集在一起不是研究壁虎令人难以置信的视觉能力，而是研究它们同样令人难以置信的杂技技巧。 因此，我们直接进行研究。

研究的实质

在新加坡的一片热带森林中，拍摄了一段高速视频，内容是一只小壁虎如何克服水障碍到达树上。



而且，其移动速度几乎与在固体表面上移动时的速度相同。 该视频向科学家提出了问题-壁虎如何做到这一点？ 进行了实验室研究，结果表明壁虎同时使用多种技术在水面上移动，这使它们在动物界非常独特。


水str

研究人员指出，进化赋予不同的动物以不同的方式在水上移动，以实现这一目标。 因此，一些小昆虫的肢体结构不规范，由于表面张力，它们可以留在水面上。 但是，这种方法不是通用的，因为其他大型动物的进化也不同。 例如，带有头盔的蛇怪实际上可以在水中穿行。 后腿的快速运动使其可以加速至12 km / h，并以这种方式运行约400米。


戴着头盔的蛇怪在水上进行的表演，这不是徒劳的，称为耶稣基督蜥蜴。

科学家们分享了两种在水上移动动物的主要方法：表面张力引起的运动和肢体某些运动引起的运动。

小生物的邦德数* <1，因此，为了确保保留在水面上，它们的韦伯数*也必须<1。

键数（Bo）*是重力与表面张力的比率。

韦伯数（We）* -流体惯性与表面张力的比率。

键数与韦伯数之间的关系图，以及刻度尺上不同生物的位置。

在大型动物中，邦德数和韦伯数自然是很大的，因此它们不能使用在水面上移动的第一种方法。 因此，它们应该以相反的方式起作用，即在水面上使用力（触发器，中风，四肢摆动等）。

壁虎的独特之处在于，根据移动方法，它们的邦德和韦伯数（Bo = 8.7±0.5，We = 47.4±31.7）位于两个主要类别之间，在上图中以绿色和蓝色标记。 因此，科学家提出了一种理论，即壁虎可以同时利用表面张力和肢体运动来穿过水。 任何理论都需要证明（当然，除非它是一个公理）。

“壁虎”运动学

测试涉及8个人。 总共进行了63次“水上比赛”。

科学家指出，与戴着头盔的蛇怪不同，壁虎的身体并不完全在水面之上。 但是，壁虎的肢体运动方式使它们与水面之间形成气穴，就像蛇怪一样。 身体的位置如下：水面的前半部分（水面上方的平均头部高度为13.4±2.2毫米），后半部分与水接触，尾部浸入水中并始终与表面平行。


壁虎在水面上移动时身体位置的示意图。

壁虎在水上的运动非常类似于在陆地上跑步时，前肢与相对的后方（前左+后右等）同相移动时所展示的运动。 这种观察也很不寻常，因为在快速游泳过程中爬行动物没有四肢过筛。

尽管身体部分浸入水中，壁虎仍可以以60.7±5.4 cm / s的速度在水中移动，大约等于每秒10.5英寸的壁虎体长。 在陆地上移动时，该指标实际上不会改变。 测试期间记录的最大水速为97.5 cm / s（3.51 km / h）。


壁虎在水上运动（侧视图）。

当达到这些速度时，壁虎能够将其身体的大约72％抬高到水面以上，这有助于降低波浪阻力。

科学家们还注意到，壁虎在水上的这种运动不能被描述为游泳，这一点已被观察证实。

至于肢体的运动，尽管蛇怪和壁虎的身体以不同的方式放置，但它们实际上是相似的。 两个“水上奔跑的人”都在水上敲打他们的爪子，产生了一种冲动，使您可以继续运动（图B上方）。 这种运动最重要的元素是气穴，当撞击水面时应形成气穴。

如前所述，壁虎和蛇怪之间最明显的区别是身体的位置。 当在水中奔跑时，蛇怪仅通过其后肢产生冲动而垂直拉直，并且它们的身体分别完全位于水面之上。 壁虎无法做到这一点，因为其四肢短且无法将身体的位置从水平位置更改为垂直位置。

在这种情况下该怎么办？ 当然要用全部四肢。 壁虎所做的是，每只前脚的水击速度达到76.2±33.1 cm / s，后腿的水击速度达到91.5±29.4 cm / s。 我们可以看到，由于壁虎的身体几乎处于水平位置，因此后肢的速度比前肢的速度要高得多。

还值得注意的是，在水击期间壁虎和蛇怪之间的气腔有所不同。 在壁虎中，腔体更呈椭圆形，并向尾部扩展（即朝尾巴延伸）。 这使科学家们得出这样的假设：这种形式比起将身体举到水面上方（像蛇怪），更有助于产生某种形式的牵引力。

因此，很明显，壁虎不能完全依靠四肢的撞击运动（如蛇怪）来克服沿着水面的路径。 因此，这种运动机制由他们与其他人一起使用，更确切地说是与表面张力一起使用。

表面张力

水str不仅可以“站立”在水上，而且由于表面张力还可以在水上安静地奔跑。 由于这种现象，一些小蜥蜴也可能停留在水面上，但只能处于静止状态。 在测试过程中，研究人员将壁虎整齐地放在水中。 他的身体停留在表面上，尽管大部分都浸在水中（不用担心，壁虎在水中放置了一会儿，然后立即将其取出）。 因此，很明显，水表面张力并不是壁虎在水上奔跑的能力的100％来源。

但是，不要完全放弃这种现象。 首先，研究人员指出，壁虎的皮肤具有极强的疏水性（可排斥水），并且由于这种类型的皮肤接触时基于高度表面张力的机理，这种特性可以减少阻力（嗯，物理上并非没有）。用水。

为了验证该理论，在水中和肥皂溶液中（即在表面活性剂可将表面张力降低约50％的水中）进行了一系列测试。


在肥皂水中的壁虎运动（侧视图）。

肥皂溶液中的蛇怪显示出与普通水中相同的结果。 这是可以预见的，因为这种动物在水上奔跑的机制中并未使用表面张力。 但是壁虎要困难得多。 他们的速度下降了约58％


表面张力对壁虎运动的影响。

在这种情况下，冲击的速度没有改变。 摇摆期变得更长一些。 壁虎的身体比肥皂水更沉浸在肥皂水中。 与清洁水上方的高度相比，皂液上方的头部高度降低了49％。

流体力学和流体静力学

众所周知，弗洛德数（Fr，代表液体和气体运动相似性的标准）为1.0的动物可因滑水而在水中运动，并通过身体运动从一侧到另一侧成正倾角而产生流体动力升力。 当Fr值在0.6 ... 1.0范围内波动时，由于流体动力学和流体静力学（在这种情况下为浮力），动物会停留在水上。

科学家注意到，头顶高出水面与壁虎速度之间存在正相关。 同样，身体本身，或者更确切地说，它的形状也完全符合该理论。 普通的壁虎具有令人印象深刻的身体倾斜角度（弯曲）-26.4±9.4。 同样，它们的身体被背腹展平，长宽比为3.7±0.4。 腹部表面平坦。 这种生理学只能帮助抵抗诸如水的复杂问题。

但是，研究人员尚未对这些方面进行深入研究，因此他们不想发表高调的声明。


壁虎在水上运动（顶视图）。

在肥皂水中的壁虎运动（顶视图）。

而且，当然，壁虎在移动时会利用它们的灵活性，如上面的动画和视频所示。 在纯净水和肥皂水中，壁虎保持相同的幅度和波动度。

要更详尽地了解这项研究，可以查看链接 （研究组的报告+其他材料）。

结语

温和地说，这项研究可能看起来很奇怪。 科学家们聚集在实验室里，开始在水面上发射壁虎（做梦，而不是工作）。 但是，这样的研究有助于理解以前未被注意或无法解释的内容。

壁虎以前没有被归类为能够在水上奔跑的生物。 这项研究证明他们在此列表中有合法的位置。 除了这种生态正义之外，研究人员还注意到他们的观察在机器人技术中的重要性。 充分了解动物在水中的运动方式可以帮助创建可以重复此技巧的机器人。 与其他水舞者不同，鉴于壁虎在武器库中一次使用了所有东西，因此它们在这一过程中的重要性无可估量。

此外，一只小而灵巧的蜥蜴以其非同寻常的，乍一看是莫名其妙的技能而使科学界感到惊讶也就不足为奇了。 在我看来，这仅再次证明了我们对这个世界以及围绕我们的生物知之甚少。



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