Опора и движение: гидроскелет, рычаги, плавучесть и полёт
Свяжем строение скелета и мышц с физикой движения: рычагами, выталкивающей силой и взаимодействием крыла с воздухом.
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
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?
- Масса вытесненной воды: 1000 × 0,001 = 1 кг.
- Её вес примерно равен весу рыбы массой 1 кг при одинаковом ускорении свободного падения.
- 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
- С помощью линейки, опоры и небольших одинаковых грузов сравните усилие при разных плечах рычага, записывая расстояния.
- С разрешения учителя сравните плавучесть герметичных безопасных моделей одинаковой массы, но разного вытесняемого объёма в воде.
- 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.