Aby překvapili svou kořist, některé druhy mořských ptáků se vrhají do vody rychlostí vyšší než 50 mil za hodinu. Lidský potápěč, který by vstoupil do vody tak rychle, by pravděpodobně utrpěl vážná zranění, ale ptáci, jako jsou hadi a kozy, tyto ponory bezpečně zvládají i přes své štíhlé krky.
Nový výzkum od Virginia Tech pomáhá vysvětlit, jak ptáci zvládají tyto vysokorychlostní ponory.
„Zajímalo nás, co se stane, když se předměty ponoří do vody, a tak jsme hledali příklady v přírodě; ganneti jsou neuvěřitelní,“řekl Sunny Jung, docent biomedicínského inženýrství a mechaniky na Vysoké škole inženýrství a odborník na biomechaniku tekutin; také studoval neobvyklou techniku pití psů a jak krevety používají k lovu mikroskopické bublinky.
V nové studii publikované v Proceedings of the National Academy of Sciences Jung a jeho spolupracovníci zkoumají biomechaniku ponorů gannetů. Zjistili, že tvar hlavy, délka krku a svalstvo ptáků a rychlost potápění pracují ve shodě, aby zajistily, že síla vody nezkroutí jejich štíhlé krky.
Předchozí studie potápějících se ptáků se zaměřily na ekologické aspekty tohoto loveckého chování, nazývaného „ponoření“. Jung's je první dokument, který prozkoumává základní fyziku a biomechanické inženýrství, které umožňuje ptákům ponořit se pod vodu bez zranění.
K analýze tvaru těla ptáka a muskulatury krku tým použil zachráněný gannet, který poskytlo Muzeum přírodních věd v Severní Karolíně. Vytvořili také 3D tištěné repliky lebek gannetů ze sbírky ve Smithsonian Institution, což jim pomohlo změřit síly na lebce při vstupu do vody.
Primární silou působící na hlavu ganneta, když se vrhá pod vodu, je odpor, který se zvyšuje s rychlostí. Aby analyzovali, jaké další parametry ovlivňují sílu, kterou pták zažívá, vytvořili vědci zjednodušený model z 3D tištěného kužele na pružném gumovém „krku“a ponořili tento systém do vodní nádrže, přičemž měnili úhel kužele a délku krku. a rychlost nárazu. Vysokorychlostní video ukázalo, zda se krk prohnul.
„To je to, co děláme: Vezmeme komplikovaný systém a najdeme způsob, jak ho zjednodušit,“řekl Brian Chang, student čtvrtého ročníku doktorského studia z Washingtonu, DC, který začal pracovat v Jungově laboratoři jako vysokoškolák.
Jejich analýza odhalila, že přechod od stability k vybočení závisí na geometrii hlavy, materiálových vlastnostech krku a rychlosti nárazu; při typických rychlostech střemhlavého potápění, úzký, špičatý zobák a délka krku ptáků udržovaly sílu odporu v bezpečném rozsahu.
„Zjistili jsme, že gannet má určitý tvar hlavy, což snižuje odpor ve srovnání s jinými ptáky ze stejné rodiny,“řekl Jung.
Výzkumníci také zjistili, že ptáci dále snižují riziko vybočení tím, že před dopadem stahují svaly krku a narovnávají krk ve tvaru písmene S.
Tým již rozšiřuje svou práci na další druhy.
"Jedním z důsledků této studie jsou bezpečnostní kritéria pro lidské potápěče," řekl Jung.
Lidé jsou ve srovnání s gannety v nevýhodě; na rozdíl od ptačího špičatého zobáku a štíhlého krku vytvářejí lidské nohy plochý povrch, který zvyšuje sílu nárazu do vody. Tato síla může být dostatečně silná, aby zlomila kosti a způsobila poškození orgánů a tkání.
Vzhledem k tomu, jak se sporty jako skoky z útesů a potápění z mostů stávají stále populárnějšími, může výzkum fluidní biomechaniky pomoci určit maximální bezpečnou výšku pro lidské potápěče a poskytnout doporučení pro pozice, které by mohly minimalizovat riziko zranění.
Jung a Chang také aplikují svůj výzkum potápějících se ptáků, částečně podporovaný Institutem pro kritické technologie a aplikovanou vědu a Národní vědeckou nadací, na práci se starším designérským týmem Virginia Tech na gannetem inspirovaném podvodní projektil pro autonomní snímání.
