Умблик
8 класс · углублённый
Биология · 8 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 8 класс · Урок 60

Опора и движение: гидроскелет, рычаги, плавучесть и полёт

Свяжем строение скелета и мышц с физикой движения: рычагами, выталкивающей силой и взаимодействием крыла с воздухом.

Животные

Федеральная программа · углублённый уровень · 8 класс

Животные

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Клеточные способы движения
  • Гидростатический, наружный и внутренний скелет
  • Мышцы и рычажные конечности
  • Плавание, выталкивающая сила и плавательный пузырь
  • Формы полёта и подъёмная сила
  • Сравнение движения позвоночных
Опора и движение: разные решения одной задачиГидроскелетНаружный скелетВнутренний скелетчервь: мышцы + жидкостьнасекомое: кутикулапозвоночное: костиВо всех случаях движение создают сокращения клеток или мышц; опора передаёт усилие.
Разные системы опоры решают задачи движения в воде, на суше и в воздухе. Иллюстрация условна и не задаёт шкалу «лучшего» строения.

Как это устроено

Гидроскелет работает как система жидкости и мышц: сокращение одних мышц меняет форму части тела, давление передаётся через жидкость. Наружный скелет защищает и даёт опору мышцам, но при росте членистоногих обычно требует линьки. Внутренний скелет позвоночных растёт вместе с телом и образует рычаги. Нельзя выводить наличие «лучшего» скелета без среды и способа движения.

Мышцы развивают тяговое усилие; для движения сустава часто нужны группы с противоположным действием. В рычаге выигрыш в силе может сопровождаться меньшим перемещением конца конечности, а выигрыш в скорости — большей требуемой силой. Школьная фраза «длинная конечность всегда сильнее» неверна: важны положение оси, точки приложения сил, масса и физиология мышцы.

В воде выталкивающая сила помогает поддерживать тело. Плавательный пузырь многих костных рыб меняет плавучесть, но не является обязательной чертой всех рыб. У акул и других рыб работают другие сочетания плотности тканей, формы тела и движения. Плавание создаётся взаимодействием тела или плавников с водой; усилие на хвост и гидродинамика зависят от формы и режима движения.

Полёт возникает в разных ветвях животных: крылья насекомых, птиц и летучих мышей различаются по происхождению и строению. Подъёмная сила зависит от движения крыла относительно воздуха и его формы; упрощённое объяснение только «воздух сверху должен пройти быстрее» недостаточно и может вводить в заблуждение. Машущий полёт требует работы мышц, планирование использует уже приобретённую скорость и движение воздуха. Ни один тип не делает своего носителя эволюционно «выше» других.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Клеточное движение

Перемещение отдельной клетки или её частей при работе цитоскелета, ресничек, жгутиков либо изменении формы мембраны.

Пример: Некоторые клетки передвигаются с помощью выростов, а сперматозоид многих животных — с помощью жгутика.

Гидростатический скелет

Система опоры, в которой давление жидкости в замкнутых или частично ограниченных полостях вместе с мышцами поддерживает форму и участвует в движении.

Пример: У дождевого червя сегментированная целомическая жидкость помогает работе кольцевых и продольных мышц.

Наружный скелет

Прочные структуры на внешней стороне тела, обеспечивающие опору и защиту; состав и способ роста различаются между группами.

Пример: Хитиновая кутикула членистоногого поддерживает тело, но требует линьки для значительного роста.

Внутренний скелет

Опорные структуры внутри тела, например хрящи и кости позвоночных, к которым могут прикрепляться мышцы.

Пример: Кости конечности птицы служат опорой для мышц полёта и перемещения по земле.

Рычаг

Механическая система с опорой и приложенными силами, в которой соотношение плеч влияет на выигрыш в силе или скорости движения.

Пример: Кость конечности вращается вокруг сустава под действием мышцы и внешней нагрузки.

Плечо силы

Кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы, определяющее её вращающий момент при прочих равных.

Пример: Изменение точки прикрепления мышцы меняет её механическое плечо относительно сустава.

Мышечное сокращение

Развитие силы сократительной тканью за счёт взаимодействия белковых структур с затратой доступной химической энергии.

Пример: Скелетная мышца тянет кость через сухожилие, но не толкает её как жёсткий стержень.

Плавучесть

Результат действия выталкивающей силы жидкости и силы тяжести на погружённое тело, зависящий от объёма вытесненной жидкости и массы тела.

Пример: Рыба с изменением объёма газовой полости может менять положение в воде при определённых условиях.

Выталкивающая сила

Сила, действующая на погружённое в жидкость тело вверх и равная весу вытесненной жидкости в простых гидростатических условиях.

Пример: Одинаковая по массе форма с большим объёмом может вытеснить больше воды и получить большую выталкивающую силу.

Плавательный пузырь

Газонаполненный орган многих костных рыб, участвующий в регуляции плавучести и иногда в других функциях; отсутствует у некоторых групп рыб.

Пример: Многие акулы не имеют плавательного пузыря и используют другие особенности тела и движения.

Подъёмная сила

Аэродинамическая составляющая силы воздуха на движущееся крыло, направленная в определённых условиях против действия тяжести.

Пример: Крыло птицы меняет поток воздуха и испытывает аэродинамические силы во время полёта.

Планирование

Воздушное перемещение с использованием аэродинамической силы без непрерывных активных взмахов крыльями или аналогичной структурой.

Пример: Некоторые птицы планируют между периодами активного машущего полёта.

Пример по шагам

Рыба массой 1 кг вытесняет 0,001 м³ воды плотностью 1000 кг/м³. Как соотносятся выталкивающая сила и вес в простой модели?

  1. Масса вытесненной воды: 1000 × 0,001 = 1 кг.
  2. Её вес примерно равен весу рыбы массой 1 кг при одинаковом ускорении свободного падения.
  3. В простой статической модели силы близки по величине; в реальном движении важны ещё тяга, сопротивление и состояние плавательного пузыря.

Вывод: Равновесие плавучести зависит от массы и вытесненного объёма, а не от названия группы рыбы.

Практическая работа

Модель рычага и плавучести без животных

  1. С помощью линейки, опоры и небольших одинаковых грузов сравните усилие при разных плечах рычага, записывая расстояния.
  2. С разрешения учителя сравните плавучесть герметичных безопасных моделей одинаковой массы, но разного вытесняемого объёма в воде.
  3. Перенесите результаты на схемы конечности и рыбьего тела, укажите, какие особенности живого организма модель не отражает.

Что можно заключить: Физические модели помогают объяснить часть движения, но не заменяют мышцы, поведение и гидродинамику реального животного.

Безопасность: Не используйте стеклянные ёмкости на краю стола, электрические приборы рядом с водой и живых животных в опыте.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.