Ваша основная проблема с газами легче воздуха заключается в том, что подъемная сила, обеспечиваемая газом, очень мала по сравнению с закрытым объемом.

Для земной атмосферы у вас есть средняя плотность воздуха на уровне моря:

Если вы возьмете среднестатистического человека, ваша плотность несколько выше этой. Если вы войдете в бассейн, полностью вытянетесь и ляжете в воду, вы, скорее всего, едва удержитесь на плаву. Это потому, что в среднем человеческое тело имеет плотность немного меньше плотности воды:

Итак, ваш средний человек в 762 раза плотнее воздуха. (Поэтому мы твердо стоим на земле). Даже если вы возьмете большинство видов птиц на земле, ваша средняя плотность будет в несколько сотен раз выше, чем у воздуха. Это означает, что если бы они не хлопали и не расправляли крылья, они бы рухнули на землю, как и вы.

Если ваше животное должно плавать само по себе без какой-либо дополнительной подъемной силы, обеспечиваемой крыльями, то ваше животное в целом должно иметь среднюю плотность меньше, чем воздух на уровне моря.

Теоретически максимальный подъем, которого вы могли бы достичь, состоял бы в том, чтобы окружить твердым телом полный вакуум. Тогда ваш лифт будет$1.292kg$для каждого$m³$воздуха вы вытесняете - на уровне моря. Нам еще предстоит найти какое-либо вещество, которое могло бы заключить это пространство и не превысить предел веса, не будучи раздавленным атмосферным давлением. Таким образом, мы используем газы легче воздуха, которые оказывают такое же давление, но имеют гораздо меньшую плотность. Лучшим кандидатом на это является водород.$\rho_H = 0.090 kg/m³$и гелий$\rho_{He} = 0.178 kg/m³$.

Они фактически уменьшают вашу максимальную подъемную силу по сравнению с полным вакуумом, но не требуют, чтобы ваша удерживающая конструкция была такой же прочной, поэтому ваша максимальная подъемная сила будет примерно на 8-16% меньше, чем с вакуумом. Водород, хотя и легко доступен, очевидно, имеет большой недостаток, заключающийся в том, что он легко воспламеняется при смешивании с кислородом. С другой стороны, гелий довольно редок по сравнению с водородом.

Тем не менее, если предположить, что мы используем гелий, ваш максимальный подъем будет:$1.292kg/m³ - 0.178kg/m³ = 1.114 kg/m³$

Наиболее эффективным телом для ограждения любого объема является сфера. Он имеет наибольшее объемное содержание при наименьшей площади поверхности. Объем шара вычисляется по$V_{sphere} = \frac{4}{3} \pi r³$в то время как поверхность$A = 4 \pi r²$.

Таким образом, максимальная масса кожи, органов, мышц и т. д. может быть только$M = (\rho_{air} - \rho_{gas}) * V$. Однако масса существа также равна площади поверхности существа, умноженной на толщину его кожи, умноженной на плотность кожи (которая также должна содержать все органы и т. д.). Если мы предположим, что человекоподобное существо плотности$M = \rho_{creature} * A * r_{creature}$.

Если мы объединим оба:

Теперь с тех пор$\rho_{air} - \rho_{gas} \approx \frac{1}{700} \rho_{creature}$:

Таким образом, толщина существа будет всего около$\frac{1}{2100}$й от общего объёма вложенного... или для существа с$2 m$диаметра, его кожа могла (в лучшем случае) иметь среднюю толщину$0.5mm$если он имеет среднюю плотность человеческой плоти. Оно получит разумную толщину, чтобы противостоять элементам, только если вы сделаете существо радиусом 100 м — больше, чем дирижабль Гинденбург, и даже тогда существо в среднем будет иметь толщину всего 5 см (что примерно равно толщине тонкого человеческая рука)... и она по-прежнему выглядела бы как воздушный шар.

Это звучит не очень осуществимо, учитывая количество крови, которое необходимо перекачивать, количество пищи, необходимое для переваривания для такого огромного тела и т. д.

Единственной возможностью для достаточно прочной кожи, чтобы выдержать элементы и иметь разумное пространство, оставленное для органов адекватного размера, была бы гораздо более плотная атмосфера, которая может поднимать большую массу при равном объеме.

У большинства рыб есть плавательный пузырь, который позволяет им контролировать свою плавучесть, поэтому они могут тонуть, не теряя энергии при плавании.

Плавательный пузырь обычно состоит из двух наполненных газом мешочков, расположенных в спинной части рыбы, хотя у некоторых примитивных видов имеется только один мешок. Он имеет гибкие стенки, которые сужаются или расширяются в зависимости от давления окружающей среды. Стенки мочевого пузыря содержат очень мало кровеносных сосудов и выстланы кристаллами гуанина, которые делают их непроницаемыми для газов. Регулируя орган нагнетания газа с помощью газового сальника или овального окна, рыба может получить нейтральную плавучесть и всплывать и опускаться на большой диапазон глубин. Благодаря спинному положению придает рыбе боковую устойчивость.

Преимущество:

• Это животное может летать, как воздушный шар, поэтому оно не тратит много энергии по сравнению с другими животными, такими как птицы.

Недостатки:

• В то время как рыба может найти легкий воздух в воде, это животное должно плавать почти вечно, так как оно находится в атмосфере (наверху), или довольно долгое время, пока не найдет места для газа.
• Как дирижаблю, этому животному понадобится массивная подушка безопасности, чтобы парить, это означает, что это животное будет менее маневренным по сравнению с крылатым животным, являясь легкой добычей для летающих хищников.

Таким образом, ваше животное будет почти живым воздушным шаром, а не разумной формой жизни, чем-то вроде воздушной медузы. Вероятно, он может выработать токсины или защитные черты, чтобы помочь ему выжить, но его было бы слишком легко поймать.

Многие ответы предостерегают от использования водорода или метана из-за взрывоопасных свойств этих газов, но на самом деле особой опасности не будет. Эти газы опасны для людей, но это потому, что люди живут в ужасающей опасной зоне. Мы используем огонь для приготовления пищи, используем молнию для питания инструментов и окружаем себя предметами и пространствами, которые, кажется, предназначены для создания опасного статического заряда (шерстяные носки и синтетические ковры в сухом доме? Серьезно?).

Большинство существ избегают всего этого из-за страха. Конечно, удары молнии могут быть проблемой, но опять же, на самом деле не имеет значения, наполнены вы водородом или нет. Кроме того, водород достаточно безопасен, пока он содержится.

Производство водорода возможно, вероятно, путем «ферментативного производства водорода» для производства биоводорода или водорода, полученного биологически.

Я думаю, что летающее существо вполне может использовать водород для поддержания полета. Просто... не зажигайте спичку, если она падает.

Я могу придумать пару причин, которые препятствуют, но не полностью предотвращают эволюцию такой фауны:

Воспламеняемость

К этой категории относятся такие газы, как метан и водород . Хотя оба они могут быть произведены органически/с водой и использованы для обеспечения подъемной силы (при условии, что атмосфера подобна земной), потребуются довольно большие количества, чтобы их действительно можно было использовать для полета, и в этот момент риск возгорания может легко привести к смерти участников . вида. Если они путешествовали группами, один случайно взорвавшийся мог убить всю группу в результате взрывной цепной реакции.

Потребность в энергии

Достаточно горячий воздух или пар/водяной пар являются более безопасным методом создания подъемной силы, но, вероятно, недостаточно для того, чтобы служить основным средством полета, а скорее просто вспомогательным средством. Кроме того, потребность в калориях для этого вида, чтобы поддерживать свои средства/добавку к полету, будет намного выше, чем у другого вида с сопоставимой массой, иначе полет будет возможен только для тех представителей вида, у которых достаточно пищи, чтобы удерживать эти газы. с подогревом. Недоедающие члены будут вынуждены рискнуть на земле.

Редкие/неорганические газы

Другим вариантом могут быть благородные газы, такие как гелий или неон , но последний довольно тяжел среди газов легче воздуха, и оба они сравнительно редко встречаются на Земле. Если бы в вашем мире эти газы были где-то в изобилии, например, из подземных вентиляционных отверстий, и ваш вид имел бы возможность потреблять и хранить эти газы в течение длительного времени, это решение могло бы быть возможным. Следует также отметить, что детеныши этого вида начнут свою жизнь нелетающими и должны будут потреблять эти газы, чтобы приобрести способность летать.

Анатомическая структура

Наконец, я предполагаю, что этот вид будет выглядеть очень выпуклым из-за мешкообразных структур, достаточно больших, чтобы компенсировать их вес. Кожа/мембрана, содержащая газ, должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать повреждения от случайного контакта с заостренными предметами (например, ветками деревьев, грубыми камнями). Я исключаю зубы из этого, так как большинство обычных животных, укушенных крупным хищником, вероятно, также не выжили бы при столкновении, поэтому этот способный к полету вид должен был бы приспособить какой-то механизм побега, чтобы предотвратить подобные вещи... подождите.. .

Есть две основные причины, почему это сложно, а не просто невозможно.

• Хотя относительно легко использовать объем газа легче окружающей среды для животных, живущих под водой, потому что газы легче воды, становится намного сложнее, когда среда также состоит из газов. Вам нужен газ, который не только менее плотный, чем средняя плотность среды, но и достаточно плотный.для перевозки твердых частей вашего животного. Действительно, разница в плотности между H2 и H2O довольно значительна, тогда как разница между двумя газами будет менее заметна. Следовательно, вам понадобится самый легкий газ из возможных или близкий к нему, и столько, чтобы все тело могло парить. Так как ваше животное не может использовать смесь атмосферного газа по очевидным причинам, это должен быть более легкий газ, производство которого будет обязанностью вашего животного. Это может быть более или менее сложно, но выбор уже ограничен плотностью, поэтому синтезировать один из самых легких должен быть относительно легко. Еще один вариант — пустота, которая легче всего, но требует прочного и надежного крепления.жесткий контейнер или внешнее давление сокрушит вашу форму жизни. Это не так легко, так что это может быть контрпродуктивно.
• Даже после того, как проблемы, описанные выше, будут решены, вы в конечном итоге получите воздушный шар. Животное, которое парит в воздухе. В то время как птицы отлично и точно контролируют свою трехмерную скорость и направление благодаря своим крыльям, которые они могут двигаться так, как они хотят, и соответственно ориентироваться в соответствии со своими потребностями, у вашего животного не будет много вариантов: производить или выпускать газ и, в конечном итоге, направлять. высвобождение в каком-то определенном направлении, вот и все. Это делает вашу форму жизни чем-то вроде растения или медузы: чем-то, что увлекается и реагирует химической/электрической реакцией, а не инстинктом или выбором. Это возможно, но не так весело.

Учитывая все обстоятельства, это применимо к Земле, но вы можете решить, что газовый коктейль в вашей атмосфере тяжелый, поэтому облегчите условия, чтобы ваша идея была легче в вашем мире, чем на Земле - причина, по которой она существует только под водой на Земле.

Мой вывод состоит в том, что вы не можете применить эту идею к сложной форме жизни, не введя тяжелую атмосферу или не размахивая некоторыми вещами.

Одна вещь, которую вы должны иметь в виду, это закон Грэма : скорость диффузии газов обратно пропорциональна квадратному корню из их масс.

Другими словами, чем легче газ, тем больше вероятность того, что он вытечет из любого контейнера, в котором он находится. Это означает, что вы не можете просто собрать газ один раз и ожидать, что его хватит на всю оставшуюся жизнь организма; он должен постоянно собирать газ в течение всего срока службы, и чем легче газ, тем больше он утекает и тем больше его нужно собрать.

Кроме того, примите во внимание, что если газ хранится в организме, он может вступить в реакцию с телом организма, возможно, действуя как канцероген. С другой стороны, если он хранится вне тела, он фактически представляет собой гигантский волдырь, как пузырчатая пленка. Ни один из них не является безопасной альтернативой, особенно если газ легко воспламеняется.

Наконец, воздух представляет собой смесь всех имеющихся газов. Если газ LTA общедоступен, это означает, что плотность воздуха также ниже.

Если бы летающий вид хотел использовать подъемный газ как часть своей биологии, главной проблемой было бы найти источник, доступный на поверхности. В конце концов, будучи «легче воздуха», любые свободные H, He, Ne и т. д. склонны дрейфовать вверх и улетучиваться в атмосферу .

Рассмотрим различные подъемные газы и почему они непрактичны:

Благородные газы обнаруживаются в ловушке под землей в количествах, слишком незначительных, чтобы поддерживать эволюцию близлежащих существ, чтобы они могли их использовать.

Метан может образовываться как органический побочный продукт, но он легко воспламеняется. Даже если бы существо каким-то образом создало огнеупорное покрытие для своего «плавающего органа», ему все равно пришлось бы бороться со взрывом из-за статического электричества . Что ж, непроницаемые огнеупорные материалы также будут намного тяжелее обычного органического вещества и попадут в ловушку цикла, требующего большего объема метана, который требует более тяжелого материала для его покрытия!

Пар может быть легко произведен в большинстве регионов, но для превращения воды в пар требуется много энергии. Подъем, а затем встреча с холодным шквалом приведет к конденсации, заканчивающейся долгим падением. Опять же, необходимость разработки огнеупорной, изолирующей (для защиты других органов), непроницаемой мембраны станет серьезной проблемой для любого вида, который хочет стать стимпанком.

Что касается вакуума - перепад давления раздавит все, что недостаточно толстое. Одиночный прокол также был бы катастрофой — в большей степени, чем другие варианты, когда закрывающий слой мог бы успеть зажить.

Энергетические и пищевые потребности также будут непомерно высокими :

Причина, по которой летающим видам нужна подъемная сила в той или иной форме (будь то газ, который легче воздуха, или другие источники), заключается в том, чтобы уменьшить расход энергии для поддержания высоты. Даже если он каким-то образом преодолел трудности или получил помощь от разумного замысла (будь то боги или генная инженерия), чтобы иметь «плавающий орган»; усилия по поддержанию его состояния намного превосходят простой способ использования легких конструкций с большой площадью поверхности, также известных как «крылья».

Огромный дополнительный вес и сложность такого органа также потребуют гораздо большего потребления пищи, которую нельзя найти в атмосфере, поэтому существо все равно должно спускаться к поверхности за своей едой. Это сводит на нет единственный положительный фактор парения над полетом, заключающийся в большей эффективности поддержания той же большой высоты.

Редактировать: позже понял, что мой ответ во многом основан на той же записи «подъемного газа», что и существующая в MSet, но я сохраню раздел о перекрытии, поскольку некоторые вещи указаны немного по-другому.

Одной из полезных альтернатив газам, которые легче воздуха, было бы использование солнечного воздушного шара:

https://en.wikipedia.org/wiki/Солнечный_шар

Солнечный шар черный и поглощает солнечный свет, поэтому воздух внутри него нагревается, поэтому он становится воздушным шаром, которому не нужна горелка.

Минус в том, что работает только днем. Вы также получаете гораздо меньшую подъемную силу, чем водород, но без технических проблем, которые может дать вам водород, таких как утечка и сложность замены.

Умозрительная научно-популярная книга «Полет драконов» полностью посвящена именно этой теме. Трудно найти в настоящее время, но стоит прочитать, даже если вы не согласны с тезисом.

Утверждая, что драконы летали, производя водород в своего рода сотовых мешочках (и что огнедышащее дыхание было методом контролируемого сжигания избыточного водорода для снижения риска внезапных взрывов), автор выявляет многочисленные недостатки этого типа биологии. , главные из них:

• Чтобы быть достаточно легкими, чтобы летать, они должны быть довольно слабыми с точки зрения мускулов и скелета и легко протыкаться любым острым предметом.
• Будучи такими уязвимыми, им, как правило, требовались пещеры или другие прочные логовища, конкуренция за которые делала бы почти невозможным их многочисленность.
• Молодые драконы даже не смогут летать, пока не достигнут размера, при котором объема мешков будет достаточно, чтобы оторвать остальных от земли.

Короче говоря, в то время как летающее животное LTA было бы страшным из-за своего размера, оно, вероятно, также было бы довольно хрупким как в буквальном, так и в экологическом смысле.