Если бы муравей был размером с человека

Physicinweb

Чудовища и закон масштаба

Рассмотрим пример. Если бы Кинг-Конг существовал на самом деле, он никак не мог бы терроризировать Нью-Йорк. Наоборот, при первой же попытке шагнуть у него сломались бы ноги. Дело в том, что, если взять обезьяну и увеличить ее пропорционально в десять раз, ее вес при этом увеличится пропорционально объему, т.е. в тысячу раз (10 х 10 х 10 = 1000). Итак, обезьяна стала в тысячу раз тяжелее. Но ее сила увеличилась пропорционально толщине костей и мускулов. Площадь сечения костей и мышц увеличивается пропорционально квадрату линейной величины, т.е. вдесятеро (10 х 10 = 100). Другими словами, если Кинг-Конг будет в 10 раз больше обычной обезьяны, то он будет превосходить ее силой всего в сто раз, а весить в тысячу раз больше. Таким образом, при увеличении размера обезьяны вес растет гораздо быстрее, чем сила. Если говорить относительно, то Кинг-Конг окажется в 10 раз слабее обычной обезьяны. Вот почему его ноги сразу же сломаются.

Помню, как в начальной школе наш учитель удивлялся силе муравья, способного поднять лист, во много раз более тяжелый, чем сам муравей. Учитель делал из этого вывод, что будь муравей размером с дом, он мог бы легко поднять и унести этот дом. Но это предположение неверно. Причина та же, что и в случае с Кинг-Конгом. Если бы муравей был размером с дом, его ноги тоже сломались бы. Если увеличить муравья в тысячу раз, он станет в 1000 раз слабее обычного муравья и потому рухнет под собственным весом. (А также задохнется. Муравей дышит через отверстия в боку. Площадь сечения воздушных каналов растет как квадрат радиуса, а объем муравья — как куб радиуса. Таким образом, муравей в 1000 раз больше обычного будет получать в 1000 раз меньше воздуха, чем необходимо для нормального снабжения кислородом мускулов и тканей тела. Кстати говоря, именно поэтому чемпионами в фигурном катании на коньках и гимнастике становятся, как правило, люди небольшого роста, но нормальных пропорций. Они обладают большей мускульной силой на единицу веса, чем высокие люди.)

При помощи закона масштабирования мы можем также определить примерные параметры животных на Земле и, вероятно, инопланетян в космосе. Тепло, излучаемое живым организмом, пропорционально площади его поверхности. Следовательно, при увеличении животного в 10 раз его теплопотери вырастут в 100 раз. Но количество тепла в теле пропорционально его объему и поэтому вырастет в 1000 раз. Следовательно, крупные животные теряют тепло медленнее, чем мелкие. (Именно поэтому зимой у нас первыми замерзают пальцы и уши — у них максимальная относительная площадь поверхности; именно поэтому маленькие люди замерзают быстрее, чем крупные. Этим же можно объяснить, почему газеты сгорают очень быстро — у них очень большая относительная площадь, а толстые поленья горят медленно — у них площадь поверхности относительно невелика.) Этим объясняется также, почему киты в Арктике имеют каплевидную форму — из всех геометрических форм минимальной площадью поверхности на единицу массы обладает сфера. И почему насекомые в теплом климате могут себе позволить произвольную форму с относительной большой площадью поверхности на единицу массы.

В фильме киностудии Диснея «Дорогая, я уменьшил детей» в се члены семьи уменьшаются до размеров муравьев. Начинается гроза, и мы видим, как в микромире крохотные капли падают в лужи. На самом деле дождевая капля с точки зрения муравья должна выглядеть не крохотной капелькой, а громадной водяной полусферой. В обычном мире полусферический объем воды будет нестабилен и растечется под собственной тяжестью, но в микромире сила поверхностного натяжения относительно велика и легко удерживает воду в полусферическом объеме (представьте себе каплю на листе).

Источник

Если бы муравей мог вырасти до размеров человека, обладал бы он сверхспособностями?

Наше воображение с фильмами о супергероях о насекомых, подвергшихся воздействию радиоактивного излучения, может мутировать в гигантских насекомых со сверхспособностями, что заставляет меня задаться вопросом, может ли это случиться в реальном мире?

Муравей может поднимать вес в 20 раз больше своего собственного веса, а блоха может прыгнуть за один прыжок в 40 раз больше собственного.

Если бы эти насекомые внезапно изменились до размеров человека, возможно, он потерял бы «суперсилу», которую имел, когда был своего обычного размера. Как это произошло? Вот почему

Ногу муравья можно представить как цилиндр, сила ноги муравья пропорциональна площади поперечного сечения цилиндра. Люди тоже. Сила человеческой ноги пропорциональна площади поперечного сечения костей и мышц ноги.

Мы знаем, что площадь поперечного сечения цилиндра представляет собой круг, что эквивалентно πr2, где r — длина радиуса. Если вы скажете, что эти муравьи меняются в размере и становятся в 3 раза больше. Затем площадь поперечного сечения увеличивается в 9 раз, а это означает, что сила ног муравья также увеличивается, становясь в 9 раз сильнее.

А как насчет его массы, когда муравьи в 3 раза больше?

Мы можем упростить это, рассматривая содержимое тела муравья как пространство. Масса муравья пропорциональна объему муравья. Объем такого пространства, как сфера, эквивалентен 4 / 3πr3. Посмотрите на радиус, содержащий степень 3: когда муравей становится в 3 раза больше, происходит то, что объем увеличивается в 27 раз, а это означает, что масса муравья также в 27 раз больше.

Поскольку объем организма увеличивается намного быстрее, чем площадь поперечного сечения его тела, это означает, что масса организма также увеличивается намного быстрее, чем сила организма.

Также читайте: трофей ЧМ-2018 оказывается Копонгом!

Представим, что если муравей увеличится в размерах в 50 раз, площадь поперечного сечения ног муравья увеличится так, что его сила возрастет в 2500 раз. Тогда объем муравьев, который также увеличивается в массе в 125 000 раз!

Этот муравей станет очень тяжелым, но увеличение силы не будет соответствовать увеличению массы. В результате ноги этого муравья могут не выдержать собственного веса.

В лучшем случае эти муравьи станут такими же сильными, как люди того же размера. Блоха, которая может прыгнуть очень высоко за один прыжок, может перепрыгнуть через небольшие заборы, только если она размером с человека.

Взаимосвязь между силой и площадью поперечного сечения костей и мышц, массой и объемом объясняет, почему слоны и другие крупные животные громоздкие — ничем не напоминающие насекомых.

У слона толстые ноги, потому что ему требуется сила большой площади поперечного сечения, чтобы поддерживать большую массу тела. Ноги бегемотов и носорогов достаточно большие, чтобы выдерживать их вес. Ноги жирафа меньше и тоньше, но тело жирафа также не такое громоздкое, как у слона или бегемота.

Есть также еще один фактор, почему муравей не будет обладать сверхсилой, если он размером с человека, что связано с его метаболическими потребностями — потреблением энергии, которые возрастают пропорционально увеличению объема тела.

Короче говоря, способность организма получать или выделять тепловую энергию не пропорциональна его метаболическим потребностям, поскольку он увеличивается, потому что площадь его меньшего тела увеличивается по сравнению с его объемом. В результате муравей может обжечься, потому что не может быстро отдать тепло своему телу.

Крупные животные, такие как слоны, могут хорошо метаболизировать благодаря своему большому размеру тела, потому что у них есть поддерживающие структуры, такие как их широкие уши, заполненные кровеносными сосудами, которые они используют для охлаждения и обогрева своего тела.

Читайте также: Почему муравьи не умирают, падая с высоты?

Таким образом, у нас нет муравья, который может резко увеличиваться или уменьшаться с помощью сверхспособностей. Из-за геометрических факторов, размеров тела, силы и метаболизма. Но у нас есть еще один пример большого животного.

Однако очевидно, что природа сохраняет потенциальный дисбаланс, должны ли определенные организмы быть меньше или намного больше, чем они есть сегодня. Просто убедительно, да? Не беспокойтесь, никакие гигантские насекомые-монстры не будут править Землей.

Эта статья предоставлена ​​автором. Вы также можете написать о Saintif самостоятельно, присоединившись к сообществу Saintif.

Источник

Почему насекомые не с нас ростом

Режиссер Эдгар Райт на днях объявил о своих планах снять фильм, главным героем которого станет Человек-муравей, способный уменьшаться до размеров насекомого. В комиксах, по мотивам которых будет поставлен фильм, фигурируют также и муравьи размером с людей. А может ли такое быть на самом деле? Своими соображениями по этому поводу делятся ученые.

Если вкратце, то исследователи не могут дать определенного ответа на этот вопрос, хотя существует ряд гипотез, объясняющих, почему муравьи и другие насекомые имеют именно такой размер. Первая гипотеза, поясняет физиолог Джон Харрисон из Университета Аризоны, заключается в том, что экзоскелет насекомых просто не потянет увеличения в несколько сотен раз. Чтобы соответствовать размеру тела своего хозяина, экзоскелету придется стать нереально толстым.

Харрисон принимает эту теорию как установленный факт, хотя признает, что экспериментальных доказательств в поддержку этой идеи маловато. Единственное исследование по этому вопросу показало, что у крупных членистоногих не бывает толстых экзоскелетов.

Из-за жесткости этих экзоскелетов насекомым по мере роста приходится линять, сбрасывая старые «доспехи» и наращивая новые. Это также накладывает свои ограничения на размеры: крупный жук, да еще и без «упаковки», с гораздо большей долей вероятности привлечет хищников, чем его мелкий собрат. «Чем больше становишься, тем ты уязвимее», — комментирует Харрисон. Эту точку зрения доказывает и тот факт, что древние мухи заметно усыхали в размерах по мере эволюции птиц: мелким насекомым было проще уклоняться от голодных пернатых.

Есть и еще один нюанс: у насекомых система кровообращения открытая, то есть кровь и биологические жидкости не текут по сосудам, как это происходит у большинства позвоночных. При крупных габаритах система кровообращения не смогла бы нормально работать из-за силы тяжести, тянущей кровь вниз и не дающей ей нормально циркулировать.

Но самая правдоподобная гипотеза, которую, к слову, Харрисон изучил лучше всего, касается роли кислорода в жизни насекомых. Дышат они через трахею, систему крошечных трубочек, которые пассивно переносят кислород из воздуха в клетки тела. Если насекомые достигнут большого размера, их потребность в кислороде возрастет настолько, что объема трахеи окажется недостаточно.

В поддержку этой теории говорит тот факт, что около 300 миллионов лет назад многие насекомые были гораздо крупнее, чем их современные потомки. Стрекозы размером с ястреба и размахом крыльев почти в два метра были не редкостью, как и муравьи размером с колибри. А содержание кислорода в атмосфере в то время составляло 35 процентов (сейчас 21 процент).

Исследования Харрисона показали, что насекомые, растущие в условиях нехватки кислорода, достигают меньших размеров, чем их собратья, живущие на вольном выпасе. При этом всего за одно поколение насекомые могут вырасти на 20 процентов, если будут получать больше кислорода.

Большим насекомым требуется трахея большего объема. Харрисон говорит, что для других органов в таком случае места бы попросту не осталось — все тело жука ростом с человека должно будет состоять только из трахеи.

Тем не менее, ученые до сих пор не понимают, почему насекомые имеют столь скромные размеры. Если рассматривать эту тему более широко, то как работает механизм регулирования размеров. Вопросов тут больше, чем ответов, однако существование муравьев размером с него самого Харрисон не считает фантастикой: «Не могу сказать, что такое невозможно», — заявляет ученый.

Читайте также в рубрике «Наука и техника «

Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен

Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.

Источник

Миф о страшной силе насекомых

страница 1 из 2

1

2

>

«Если бы блоха была величиной с человека, она перепрыгивала бы через пятиэтажный дом».
«Если бы муравей был величиной с человека, он поднимал бы грузовик».
«Если бы муха была размером с Боинг. »
В популярных книжках такое часто пишут.
Да и в голливудских ужастиках какая-нибудь мелкая тварь вырастает размером с дом и начинает хулиганить безобразия.

Что же будет, если вырастить муравья до размеров человека или, наоборот, уменьшить человека до размеров муравья?
Как изменяется сила и вес при изменении размеров?

Буду говорить медленно и, повторяясь, чтоб даже военные поняли.

Сила в механически напряжённом материале пропорциональна площади сечения, умноженной на это напряжение.
Или, что то же самое, сила равна давлению, умноженному на площадь:

Древняя школьная формула. Ну, если кто там учился!
То есть, если верёвка диаметром полсантиметра рвётся при 100 килограммах, то верёвка из такого же материала, но диаметром в сантиметр порвется при 400 килограммах (2*2=4).
Это касается всех материалов, в том числе и мышц – если человека уменьшить в 2 раза, то сечение его мышц станет меньше в 4 раза и вместо 100 кг он сможет поднять только 25. Или сможет порвать верёвку диаметром в четверть сантиметра.
То есть, верёвка уменьшенному человеку будет казаться такой же, как и раньше (до уменьшения его размеров), и рваться она будет так же, как и раньше.

Ну, а с весом всё просто. Вес пропорционален объёму, объём пропорционален третьей степени размеров. Уменьшили человека в два раза – его вес уменьшился в восемь.

И вот теперь начинается интересное: если раньше человек рвал своим весом верёвку, то в уменьшенном виде верёвка от одного человека уже не рвётся, чтоб она порвалась, надо на неё повесить двух уменьшенных людей – верёвка рвётся при 25 кг, а один человек весит только 12,5.
Ну а это значит, что человек будет чувствовать себя в два раза легче – сила тяжести для него уменьшилась в два раза. Если раньше он мог подпрыгнуть на полметра, то он и теперь подпрыгнет на полметра, но настоящих, не уменьшенных. А для него это будет как на метр.
И если раньше человек мог без последствий прыгнуть с сарая высотой 2 метра, то и в уменьшенном виде сможет с 2 метров.

«Если бы блоха была величиной с человека, . » то она бы и пошевелиться не смогла. Ведь она прыгает на 20 см, а при росте 2 метра это всего одна десятая. У неё не хватит сил даже разогнуть лапы.

Муравей раз в двести меньше человека. Он легко несёт другого муравья, но если груз существенно больше, то может уже только волочить.
Человек, уменьшенный в 200 раз, весил бы 0,0125 грамма, и мог бы нести груз 2,5 грамма (это как сто кг), а волочь вообще граммов до десяти.
А вы пробовали положить на муравья монетку весом в один грамм? Он оказывается намертво придавленным и может шевелить только усами.

Аналогично и с мухами.
Большой самолёт – чудо инженерной мысли. Лучшие материалы используются на пределе прочности, всё тщательно вылизано, уникальные двигатели, очень дорогие в изготовлении.
А маленькая моделька того же самолёта сделанная тяп-ляп, с плохой аэродинамикой, из дешёвой пластмассы, простенький электродвигатель, батарейка – полетела. И не просто полетела, а запросто выделывает фигуры, при которых большой самолёт развалился бы.
Это именно потому, что для маленького сила тяжести в десятки раз меньше. А значит и нагрузки в материалах меньше, можно всё делать проще и слабее.
А уменьшенный человек, взяв два куска фанеры, вполне мог бы соревноваться с мухами.

Прыжки без парашюта.
Установившаяся скорость падения человека около 50 м/с. Это как с высоты 125 метров шлёпнуться.
Но у уменьшенного в 200 раз человека удельное сопротивление в 200 раз больше (отношение площади к объёму). А значит квадрат скорости тоже в 200 раз меньше – скорость падения всего 3,5 м/с, это как с высоты 60 см прыгнуть. Вот поэтому маленькие насекомые и не бьются при падении с любой высоты.

Жившие в прошлые миллионы лет членистоногие (насекомые и другие) иногда вырастали до больших размеров (например, 7-метровый скорпион), но это были морские обитатели – они жили в гидроневесомости, сил ползать по дну им хватало.
На суше уже таких больших не было.
Чтоб могли появиться большие звери, эволюции пришлось несколько раз «изобретать» новые мышцы. У теплокровных получились самые лучшие (на настоящий момент).
Во сколько раз наши мышцы сильнее, чем у насекомых?
Сейчас самый большой (сухопутный) жук весит полтора кг, а слон примерно 6 тонн. Жука для такого веса надо увеличить в 16 раз. А это значит, что жук примерно в 16 раз слабее. Раз он не смог вырасти в 16 раз.
Вот и ответ.

Есть ещё один фактор, который меняется с размерами, это время.
Если взять натянутую струну и укоротить её (сдвинуть точки закрепления) в два раза, то частота её колебаний увеличится в два раза (музыканты знают).
Если при этом уменьшить её диаметр в два раза, а силу натяжения в четыре раза, то ничего не изменится. То есть, если уменьшить струну по всем размерам в два раза, и уменьшить силу натяжения в четыре, то частота увеличится в два раза.
Это касается и всего остального. Например, частота резонансов в голосе человека определяется размерами полостей горла и рта. Уменьшили в два раза – звук стал проходить это расстояние за время, меньшее в два раза.
Ручные часы (и механические, и электронные) будут тикать в два раза быстрее. (Это не касается часов с висячим маятником.)
Ну и сердце должно сокращаться в два раза чаще, чтоб обеспечить ту же скорость (линейную) потока крови – объём сердца уменьшился в восемь раз, а сечение сосудов только в четыре.
И в мозговых нервах импульсам надо будет пробегать меньшее расстояние.
То есть, время уменьшенного человека будет идти в два раза быстрее.
Иногда кажется, что насекомые что-то проделывают мгновенно. Это просто они маленькие, вот нам, большим, и кажется.
Если взять ту же струну и дать её натянуть человеку и насекомому таких же размеров, то у насекомого натяжение будет в 16 раз меньше и частота (корень квадратный из натяжения) в 4 раза меньше. Это значит, что скорость движений, ограниченная инерцией, у насекомых будет в 4 раза меньше.
То есть, в скорости движений насекомые тоже будут отставать от теплокровных.

• Поделиться
  • Поделиться с друзьями
  • Digg
  • Del.icio.us
  • Technorati
  • Twitter

Интересно. К этому же разряду относится, например, такое заблуждение (можно увидеть в фильмах по типу звёздных войн), что планета может быть расколота. Хотя на самом деле в таком масштабе сил и размеров планета ведёт себя как жидкость, что объясняет также их круглую форму («гидростатическое равновесие»).
Несмотря на это я часто вижу на сайтах новости про экзопланеты с такими вот иллюстрациями:

правильной картинки не нашёл ни одной

• Поделиться
  • Поделиться с друзьями
  • Digg
  • Del.icio.us
  • Technorati
  • Twitter

Особенно если слон на него случайно наступит

Ну всё верно сказано.Малы они,насекомые,чтобы нахулиганить как в американских фильмах.
Хотя есть хорошая поговорка : «мал клоп-да вонюч»

• Поделиться
  • Поделиться с друзьями
  • Digg
  • Del.icio.us
  • Technorati
  • Twitter

Итак, куча поправок к тексту.

Слон — в среднем 8500 кг, максимум 13000
Goliathus goliatus — 115 граммов
Стрекоза — 19 см крылья
Бабочка — 28 см крылья, вес 58 г
Паук — 85 г

Максимальный вес слона к максимальному весу жука = 13000000 / 115 = 113000.
Кубический корень из этого = 48

В древности в море жили ракоскорпионы размером до 2.5 метров (а не 7). Это, наверное, писатели несколько раз метры в футы переводили и обратно.

Самая большая стрекоза в прошлом — 75 см крылья, вес около 450 граммов.

Повторусь, что мне интересны именно сухопутные животные, которые с силой тяжести должны бороться.

Вот ещё про полёт:

Если летательный аппарат увеличивается в 4 раза, его вес увеличивается в 64 раза, скорость полёта в 2 раза, а мощность, потребная для полёта, увеличивается в 128.
То есть, удельная мощность (мощность на вес) должна увеличиться в 2 раза.

Если плотность воздуха увеличивается в 4 раза, то потребная мощность уменьшается в два раза.
То есть, при одинаковой удельной мощности размер летательного аппарата пропорционален плотности воздуха.
Отсюда сразу хочется предположить, что в прошлые мегавека атмосфера была плотнее, вот стрекозы и были в 4 раза больше. Но это только «хотение предположения».

• Поделиться
  • Поделиться с друзьями
  • Digg
  • Del.icio.us
  • Technorati
  • Twitter

насекомые достигали больших размеров из-за высокого содержания кислорода (до 30-35 %). а парциальное давление кислорода ограничивает размер дышащих только одними трахеями (без лёгких) насекомых. где-то на elementy.ru читал по-моему. площадь внутренней поверхности трахей пропорциональна квадрату линейных размеров насекомого, а масса — кубу, т.е. масса тела растёт быстрее чем возможность снабжать тело кислородом при увеличении его линейных размеров

так что если бы муха была размером с боинг, то она бы задохнулась

• Поделиться
  • Поделиться с друзьями
  • Digg
  • Del.icio.us
  • Technorati
  • Twitter

ЕЩЕ О ПРЫЖКАХ
Блохи и кузнечики совершают прыжки, которые иной раз в 50 раз превышают длину их тела, что дало повод для досужих
вычислений: как далеко мог бы прыгнуть человек при таком же соотношении? В Северной Америке он запрыгнул бы на
верхушку небоскреба Эмпайр Стейт Билдинг, а во Франции — выше Эйфелевой башни. Но лучше рассмотреть этот вопрос
реалистично.

Предположим, что кузнечик весит 1 г и может с места прыгнуть на 50 см — обе эти цифры вполне реальны. Но представим
себе более крупное животное такого же строения, линейные размеры которого ровно в 10 раз больше. Какова будет в
соответствующем масштабе ожидаемая высота его прыжка? Масса этого животного в 1000 раз больше, чем у кузнечика, но
поперечное сечение его скакательных мышц (которое определяет возможную силу мышцы) увеличится только в 100 раз.

Поэтому на единицу своей массы крупное животное будет обладать лишь одной десятой силы для ускорения тела.
Поскольку ускорение равно частному от деления силы на массу, при отрыве от опоры оно тоже будет в десять раз
меньшим, чем у мелкого животного. Но поскольку все линейные размеры увеличены в 10 раз, ускорение будет продолжаться
на всем «пути отрыва», который тоже в 10 раз больше, чем у мелкого животного Поэтому в конечном итоге скорость при
отрыве одинакова у обоих животных. После этого движение замедляется силой земного тяготения. Поскольку и
кинетическая энергия при отрыве, и замедляющая сила земного притяжения пропорциональны массе тела, это замедление
позволит обоим животным подняться на одинаковую высоту. (Здесь мы не учли дополнительную потерю скорости из-за
сопротивления воздуха, которое для такого малого объекта, как блоха, становится существенным.)

Теперь можно сделать вывод, что если мышцы мелких и крупных животных развивают одинаковую силу на единицу
поперечнога сечения, то мелкое и крупное животные одинакового строения способны прыгать точно на одну и ту же
высоту.

Рассмотрим теперь реальные прыжки разных животных (табл. 11.5). (Речь будет идти только о прыжках с места, так как
при прыжке с разбега для увеличения высоты используется кинетическая энергия тела. Поэтому мы не учитываем мировые
рекорды по прыжкам в высоту для человека или для бегущей лошади, в обоих случаях составляющие около 2 м.) При прыжке
с места человек может взять высоту около 1,6 м. Но его центр тяжести поднимается на меньшую высоту, так как вначале
он находится не на уровне земли, а приблизительно на уровне 1 м (см. примечание к табл. 11.5). Таким образом,
человек и кузнечик смещают свой центр тяжести вверх примерно на одно и то же расстояние, хотя по своей массе они
различаются в 10 000—100 000 раз.

Разумеется, в действительности животные геометрически не подобны друг другу. И тем не менее удивительно, насколько
рекорды по прыжкам сходны у разных животных. То, что прыжки человека и других млекопитающих не пропорциональны
линейным размерам тела и что это вообще было бы невозможно, объясняется простыми законами физики.

Вывод о том, что сходные животные независимо от размеров тела должны быть в состоянии прыгать на одинаковую высоту,
можно сформулировать еще следующим образом. Примем, что мышцы, участвующие в прыжке, составляют одну и ту же часть
всей массы тела. Сила мышцы пропорциональна площади ее поперечного сечения, а укорочение пропорционально исходной
длине. Поперечное сечение, умноженное на длину, дает объем мышцы, а затрата энергии на одно сокращение измеряется
произведением силы на расстояние. Поэтому затрата энергии пропорциональна мышечной массе, а значит, и массе тела.
Поскольку при прыжке происходит только одно сокращение участвующих в нем мышц, работа, производимая во время отрыва
и используемая для ускорения, — одна и та же по отношению к массе тела. Из этого следует, что все геометрически
подобные друг другу животные с различной массой должны прыгать на одну и ту же высоту, если только их мышцы
сокращаются с одинаковой силой.

Галаго. Если сказанное выше верно, то каким же образом некоторые животные прыгают гораздо выше? Рекорд по прыжкам с
места, пожалуй, принадлежит малому галаго — небольшому тропическому примату, который весит около 250 г. В хорошо
контролируемых условиях галаго прыгнул на 2,25 м (Hall-Craggs, 1965). Это в три раза выше прыжка с места у человека.
Если только мышцы галаго не обладают большей силой на 1 см2 поперечного сечения (что мало вероятно), такое
достижение можно объяснить только большей мышечной массой (большей энергией, лолучаемой от сокращения при отрыве)
и, возможно, более благоприятной в механическом отношении «конструкцией» конечностей.

Галаго действительно обладает крупными прыгательными мышцами, составляющими почти 10% массы тела (Alexander, 1968),
т. е. почти вдвое больше, чем у человека. Если принять, что сочетание всех механических преимуществ у
высокоспециализированного прыгающего животного может дать 50%-ное увеличение прыжка, то в комбинации с удвоением
массы прыгательных мышц это даст трехкратное увеличение прыжка — это отнюдь не завышенная приблизительная оценка.

Такой прыжок с места внушительнее, чем прыжок прямокрылого, но следует помнить, что галаго— теплокровное животное,
весьма приспособленное к длинным прыжкам в своем естественном местообитании — в джунглях.

Блоха. Помимо того, что животные геометрически не совсем подобны друг другу, мы сталкиваемся еще с одной трудностью.
Чем меньше животное, тем короче путь при отрыве, а поскольку скорость отрыва должна быть одинаковой для всех, то
небольшое животное должно гораздо сильнее ускорять массу своего тела. Поскольку времени для отрыва намного меньше,
мощность мышцы соответственно должна быть больше (т. е. мышца должна сокращаться очень быстро).
Для животного такой величины, как блоха, время отрыва составляет меньше 1 мс, а путь, на котором происходит
ускорение, равен всего лишь 0,75 мм. Среднее ускорение во время отрыва превышает 2000 м/с2, что приблизительно
соответствует 200 g (Rothschild et al., 1972).

Но мышцы просто неспособны сокращаться так быстро. Как же тогда блоха вообще может прыгать? Она использует принцип
катапульты и запасает энергию в кусочке упругого материала <резилина) у основания задних ног. Резилин — белок, очень
сходный по своим механическим свойствам с каучуком (Weis-Fogh, 1960; Anderson, Weis-Fogh, 1964). Для сжатия резилина
используются относительно медленные мышцы, а когда включается освобождающий механизм, резилин возвращает всю энергию
с к.п.д. около 100%. Таким образом, упругая отдача действует примерно так, как в рогатке, и сообщает блохе
необходимое большое ускорение.

Жук-щелкун. Если положить жука-щелкуна на спину на гладкую твердую поверхность, то вначале он барахтается, пытаясь
перевернуться, но ноги его не находят опоры, и он перестает двигаться. Затем он вдруг подпрыгивает в воздух и при
этом слышится щелчок. Если он снова упадет на спину, то продолжает щелкать, пока не перевернется. Этот механизм
прыжков без участия ног подбрасывает жука на высоту до 30 см, причем ускорение при отрыве может достигать почти 400g.

Механизм этот прост. На первом грудном сегменте имеется выступ, направленный назад, и он частично входит в ямку во
втором сегменте (рис. 11.24). Когда этот выступ упирается в край ямки, он не дает крупной прыгательной мышце в
протораксе откидывать переднюю половину тела вверх. Поэтому напряжение сокращающейся мышцы растет, и она действует
как пружина: когда выступ в конце концов соскальзывает, тело жука со щелчком сгибается, и накопленная в мышце
энергия создает мгновенную силу, нужную для отрыва. Тщательные измерения показывают, что во время щелчка центр
тяжести жука поднимается приблизительно на 0,6— 0,7 мм всего лишь за 0,5 мс.

Жук-щелкун, как и блоха, слишком мал для того, чтобы его мышцы могли придать его телу нужное ускорение за короткое
время. Половины миллисекунды недостаточно для сокращения мышцы, и наилучший способ быстро получить энергию состоит в
том, чтобы запасти ее в эластичной структуре (Evans, 1973).

Источник