Почему рыба в воде быстрее птицы в воздухе? [закрыто]

Скорость любого объекта — это баланс между силой сопротивления объекта и тягой, которую объект может создать. Для достижения высоких скоростей или, что более важно в данном случае, высокого ускорения, необходимо максимально увеличить тягу при максимально низком сопротивлении.

Вода намного плотнее воздуха, но это влияет на сопротивление в основном, когда поток турбулентный, а сопротивление определяется силами инерции. В этом режиме сопротивление фактически связано с необходимостью отталкивать среду с пути, и легче отталкивать воздух с низкой плотностью, чем воду с высокой плотностью. Однако, если вы можете поддерживать ламинарность потока, плотность не имеет такого большого значения, а сопротивление определяется вязкостью среды. Вода намного более вязкая, чем воздух (а также более плотная), но для обтекаемых объектов сопротивление из-за вязкости может быть очень низким.

В чем вода выигрывает, так это в том, что в воде гораздо легче развить большую тягу, чем в воздухе. В жидкой среде, где нет ничего твердого, на что можно было бы надавить, вы создаете тягу примерно так же, как это делает ракета. Если оттолкнуть какую-то массу воды$m$со скоростью$v$тогда импульс воды изменится на$mv$, что означает, что ваш импульс изменяется на$-mv$. Таким образом, вы толкаете воду в одном направлении и ускоряетесь в другом. Создаваемая вами тяга — это просто скорость изменения импульса воды.

И теперь должно быть понятно, почему большую тягу легче создать в воде, чем в воздухе. Поскольку воздух имеет низкую плотность, вы не можете толкнуть его большую массу (если только вы не очень велики), поэтому трудно сильно изменить его импульс.

Итак, резюмируя:

• в воде сопротивление высокое, но легко создать большую тягу

• в воздухе сопротивление низкое, но трудно создать большую тягу.

Сравнение скоростей в воде и воздухе зависит от точного соотношения сопротивления и тяги. Парусники могут развивать скорость до 68 миль в час, но они делают это в основном за счет очень обтекаемой формы, поэтому они могут удерживать сопротивление как можно ниже, используя высокую тягу, которую они могут получить от воды. Птицы, как правило, не достигают такой высокой скорости, потому что, хотя сопротивление воздуха невелико, они просто не могут создать тягу, необходимую для высоких скоростей. Соколы-сапсаны могут развивать скорость до 200 миль в час, что намного быстрее, чем рыба-парусник, но они делают это только во время погружения, когда сила тяжести обеспечивает тягу.

В дополнение к @JohnRennie и @WetSavannaAnimalakaRodVance, которые пытаются ответить на вопрос, основываясь на той же логике, что и мой первый пункт ниже, у меня есть некоторые другие аспекты. На самом деле я понял, что два моих других пункта должны иметь решающее значение, иначе не было бы причин, по которым рыбы и птицы в настоящее время функционируют очень по-разному.

• Поскольку вода является более вязкой средой, для перемещения небольшое изменение формы (путешественника) приводит к большему углу кривизны; поворот быстрее.

• Рыбы двигаются больше как змеи, поворачивая свое тело из стороны в сторону, поэтому их мышцы одинаково хороши для поворота, поскольку требуемый жест похож. Птицы движутся вперед, взмахивая крыльями, а для поворота требуется наклон крыльев, поэтому для этого им потребуются дополнительные мышцы. И поэтому рыбы должны анатомически превосходить птиц, чтобы менять боковое направление.

• Птицам приходится тратить энергию, чтобы постоянно оставаться на одной высоте за счет движения (взмахов крыльями). В то время как у рыб есть орган, называемый плавательным пузырем, который регулирует их глубину. Если бы птицы использовали один и тот же орган для высоты (и были бы такими же плотными, как воздух, который их окружает), они, скорее всего, эволюционировали бы, чтобы иметь возможность более проворно перемещаться в стороны, как рыбы. Редактировать: некоторые птицы могут удерживать высоту с минимальным потреблением энергии, расправляя крылья во время полета. Однако это не оспаривает мою точку зрения; в то время как парящие птицы не могут делать быстрых движений, не останавливаясь в полете и не теряя высоты. Затем рыба снова может использовать свой плавательный пузырь и одновременно совершать быстрые движения.

Из вашего комментария:

Здесь ловкость, а не скорость

кажется, вы говорите о более высокой ловкости рыбы, т . е. о ее способности менять направление, переориентироваться и быстро ускоряться. Вы можете ответить на этот вопрос с помощью мысленного эксперимента: что произойдет, если мы выпустим воздух вокруг птицы (при условии, что она все еще может дышать)? Мы подошли бы к ситуации, когда птица находится в открытом космосе; тогда ему не во что упираться, и поэтому он вообще не может изменить состояние движения своего центра масс.

Птицы и рыбы меняют свое состояние движения, «выбрасывая» жидкость, в которой они погружены. Они толкают жидкость, а жидкость отталкивает их обратно в соответствии с третьим законом Ньютона (см. Также вопрос « Что на самом деле позволяет самолетам летать» ). В случае с рыбой жидкость имеет гораздо большую массу на единицу объема, поэтому ей приходится выталкивать гораздо меньше этой жидкости, чтобы получить такой же импульс. Это немного похоже на мысленный эксперимент: представьте, что вы находитесь в космосе и должны вернуться на свой космический корабль, бросив ведро с мячами, которое у вас есть. Какой сценарий позволит вам быстрее достичь цели: заданная масса стальных шариков или такая же масса, сделанная из пенополистирольных шариков одинакового размера (которые будут иметь гораздо больший общий объем)? Я думаю, вы понимаете, что стальные шарики сделают эту задачу намного быстрее и проще.

Это как сравнивать яблоки и апельсины!

Средства массовой информации являются наиболее важным фактором в том, как движутся в нем вещи и животные, а не рыбы или птицы!

Если вы масштабируете воду и воздух в соответствии с их плотностью и вязкостью и рассматриваете движение и маневренность птиц и рыб, вы увидите, что и то, и другое дает животным одинаковые возможности двигаться более или менее одинаково эффективно!

Если учесть, что птицы имеют очень легкую плотность, полые кости и вес намного меньше, чем рыбы того же размера, то вы понимаете, что природа создала их для другой среды, и их скорости и ускорения должны соотноситься с этой средой! Если на птицу воздействовать такими же силами, какие необходимы для маневрирования рыбы, например, при повороте хвоста, то птица получит травму!

Как бы то ни было, конечно, есть много других факторов, которые влияют на то, как рыбы и птицы двигаются и поворачиваются, такие как оптимальный размер для экосистемы и тепловой баланс в их теле, их добыче и их хищнике.

Основное это габариты/вес и механизм изготовления подъемника. Из-за плавучести рыба теряет часть собственного веса, тогда как птице приходится поддерживать собственный вес.

Однако колибри меньшего размера создает большую подъемную силу за счет более высокой частоты взмахов крыльев и, следовательно, намного быстрее, чем большинство рыб. Стрекоза летит еще быстрее благодаря тяге двух пар синхронизированных легких крыльев.