Як горбаті кити контролюють свою плавучість під водою?

Горбаті кити проводять більшу частину свого життя в середовищі, де сила тяжіння та тиск води впливають на кожен рух. Вони плавають біля поверхні, опускаються під неї і повертаються, щоб дихати. Їхня здатність пересуватися між глибинами залежить не тільки від потужності їхніх хвостів: вона також включає плавучість, схильність тварини плавати, тонути чи залишатися у воді.

Для відвідувачів, які спостерігають за горбатими китами в затоці Самана, Домініканська Республіка, ці підводні механізми зазвичай непомітні. Кит може зникнути під поверхнею, а потім знову з’явитися десь неподалік, змушуючи спостерігачів дивуватися, як він контролює своє положення під хвилями.

Горбаті кити керують плавучістю завдяки сукупному впливу складу свого тіла, повітря в їхній дихальній системі, а також зміни глибини та зусиль при плаванні. Вони не покладаються на один механізм, і їхня плавучість може змінюватися під час занурення, оскільки тиск води впливає на повітряний простір. у їхніх тілах.

Цей посібник пояснює науку, що стоїть за плавучістю китів, чим вона відрізняється від плавання та чому вона має значення під час підводного руху.

Що означає плавучість для горбатого кита?

Плавучість — це сила, яку вода чинить угору на занурений у неї об’єкт. Від співвідношення між цією силою та його вагою залежить те, чи об’єкт має тенденцію підніматися, опускатися чи залишатися на певній глибині.

Той самий фізичний принцип застосовується до горбатих китів.

Тіло кита витісняє великий об’єм води. Ця витіснена вода створює висхідну плавучу силу, тоді як сила тяжіння тягне кита вниз.

Баланс між цими силами допомагає визначити, чи має тварина тенденцію підніматися чи тонути.

Позитивна, негативна та нейтральна плавучість

Три терміни корисні для розуміння цього процесу.

• Позитивна плавучість: Спрямована вгору виштовхувальна сила перевищує вагу тварини, тому вона прагне піднятися.
• Негативна плавучість: Вага тварини перевищує виштовхувальну силу, тому вона має тенденцію тонути.
• Нейтральна плавучість: сили приблизно збалансовані, що дозволяє тварині залишатися на глибина без сильної тенденції до підняття або опускання.

Це спрощені описи. Плаваючий кит усе ще може рухатися вертикально, навіть якщо його природна плавучість рухатиме його у протилежному напрямку.

Чому щільність тіла має значення

Щільність описує, скільки маси міститься в даному об’ємі.

Тварина, середня щільність якої нижча за навколишню воду, прагне плавати, тоді як тварина з більшою середньою щільністю має тенденцію тонути. Тканини тіла, жир, м’язи, кістки та повітряні простори сприяють загальній щільності.

Тому для горбатого кита плавучість є властивістю всього тіла, а не окремого органу.

Як повітря в легенях впливає на плавучість кита?

Щільність повітря набагато менша за воду. У результаті повітря, що утримується в дихальній системі тварини, може впливати на її загальну плавучість.

Горбаті кити – це ссавці, які дихають повітрям на поверхні. Вони не видобувають кисень із води за допомогою зябер.

Коли кит дихає на поверхні, повітря потрапляє в його легені. Об’єм повітря в його дихальній системі може впливати на його схильність плавати.

Що відбувається під час занурення?

Коли кит опускається, тиск навколишньої води зростає. Цей тиск стискає заповнені газом простори, зменшуючи об’єм повітря, що в них міститься.

Зі зменшенням об’єму повітря змінюється також його внесок у плавучість.

Це одна з причин, чому схильність кита підніматися або занурюватися може відрізнятися між поверхневою та глибшою водою.

Однак важливо не вважати, що повітря в легенях визначає рух кита. Склад тіла, глибина, активність плавання та інші фактори також мають значення.

Чому китів не можна порівняти безпосередньо з надувними об’єктами

Кит — це не порожня ємність, наповнена повітрям. Він має складне тіло, яке складається з тканин із різною щільністю та механічними властивостями.

Повітряні простори є лише одним із компонентів його загальної плавучості.

Отже, падіння кита не можна пояснити просто тим, що він випускає все повітря або вимикає свої легені. Рух тварини є результатом кількох взаємодіючих фізичних і біологічних процесів.

Чи допомагає будова тіла горбатого кита контролювати плавучість?

Так. Тканини, з яких складається тіло кита, сприяють його загальній щільності й, отже, впливають на плавучість.

М’язи, кістки, жир та інші тканини мають різні фізичні властивості. Їх сукупні пропорції впливають на те, як уся тварина взаємодіє з водою.

Роль сала

Сало — це товстий шар жиру під шкірою багатьох морських ссавців, у тому числі горбатих китів.

Його найвідоміші функції включають ізоляцію та накопичення енергії. Оскільки жирова тканина також має фізичні властивості, відмінні від властивостей м’язів і кісток, вона сприяє загальному складу тіла та плавучості кита.

Однак жир не слід описувати як спеціальний пристрій для контролю плавучості. Його роль у плавучості є частиною набагато більшої системи, яка включає все тіло.

Важливість розміру та форми тіла

У горбатих китів великі обтічні тіла, пристосовані для плавання у воді.

Їхній розмір впливає на кількість витісненої води, тоді як розподіл різних тканин впливає на середню щільність тіла.

Форма тіла також впливає на опір, тобто опір, з яким стикається тварина під час руху у воді. Сила опору та плавучості є різними силами, але обидві мають значення, коли кит подорожує між глибинами.

Як змінюється тиск води під час занурення кита?

Тиск води зростає з глибиною, оскільки глибша вода витримує вагу більшої кількості води над нею.

Ця зміна впливає на заповнені газом простори та фізичні умови під час занурення. кит.

Тиск біля поверхні

Біля поверхні тиск навколишньої води відносно низький порівняно з умовами на більших глибинах.

Повітряні простори в дихальній системі кита займають більший об’єм, ніж за більшого тиску, хоча їхній фактичний об’єм залежить від стану дихання та анатомії тварини.

Тиск при більшому глибини

Коли кит опускається, зростаючий тиск стискає повітря в його дихальній системі.

Це змінює співвідношення між об’ємом його тіла, щільністю та плавучістю.

Ефект особливо важливий, якщо взяти до уваги, як морські ссавці пристосовані до пірнання. Однак точна плавучість окремого горбаня залежить від його особливостей тіла, стану дихання та глибини.

Кит також повинен контролювати використання кисню та інші фізіологічні потреби під водою. Плавучість — це лише одна частина ширшого процесу занурення.

Чи мусить горбатий кит постійно плисти, щоб залишатися під водою?

Не обов’язково. Зусилля, необхідні для того, щоб залишатися на певній глибині, частково залежать від плавучості кита на цій глибині.

Якщо кит прагне піднятися, йому може знадобитися плисти вниз або використовувати інші рухи, щоб утримати своє положення. Якщо він прагне зануритися, йому, можливо, доведеться попливти вгору, щоб повернутися на поверхню.

Коли його плавучість близька до нейтральної, для підтримки глибини може знадобитися менше зусиль, щоб протистояти сильній тенденції вгору чи вниз.

Однак залишатися на глибині не означає залишатися нерухомим. Течії води, орієнтація тіла та інші рухи можуть впливати на положення тварини.

Плавання та плавучість відрізняються

Плавання передбачає створення сил, які рухають тіло у воді. Горбаті кити створюють більшу частину свого поштовху вперед через хвостові рухи.

Натомість плавучість — це сила, спрямована вгору витісненою водою.

Кит може плисти вниз, навіть якщо він прагне спливти, так само як він може плисти вгору, коли його тіло має тенденцію тонути. Фактичний рух тварини відображає сукупний вплив плавучості, сили тяжіння, сили плавання та опору.

Розуміння цієї різниці допомагає пояснити, чому поведінку кита під зануренням не можна зрозуміти лише за рухами його хвоста.

Як горбаті кити повертаються на поверхню?

Горбаті кити повинні повертатися на поверхню, щоб вдихнути повітря.

Їх рух вгору може включати активне плавання, вплив плавучості або їх поєднання. Баланс може змінюватися під час занурення.

Киту, який опустився на глибшу воду, може знадобитися поштовх хвоста вгору, щоб дістатися до поверхні. Якщо його плавучість сприяє підйому, це також може вплинути на те, скільки зусиль для плавання потрібно.

Чому підйом не завжди є прямою лінією

Шлях кита під водою може змінюватися залежно від його активності та оточення.

Він може змінювати свій напрямок, регулювати кут свого тіла або рухатися горизонтально, перш ніж спливти на поверхню. Його маршрут залежить не лише від плавучості.

Для спостерігачів на човні це означає, що кит може знову з’явитися в місці, яке відрізняється від того місця, де він зник.

Чи може плавучість передбачити, коли кит спливе на поверхню?

Жодне просте спостереження за плавучістю не може точно сказати спостерігачу за китами, коли горбатий повернеться.

Тривалість і занурення Поведінка на поверхні може бути різною. Активність кита, зусилля під час плавання та фізіологічні потреби впливають на занурення, і його підводний стан неможливо повністю визначити з поверхні.

Краще розуміти плавучість як один із факторів руху кита, а не як надійний зворотний відлік до його наступної появи.

Чим плавучість відрізняється від опору?

Плавучість і лобовий опор впливають на тварину, що рухається у воді, але вони описують різні фізичні ефекти.

Плавучість — це сила, що піднімається вгору, пов’язана з витісненням води. Опір – це опір, який протидіє руху відносно навколишньої води.

Кит може відчувати плавучість, навіть коли він не рухається. Перетягування стає актуальним, коли він рухається крізь воду або коли вода обтікає його тіло.

Чому опір має значення під час пірнання

Під час руху кита його тіло має штовхати воду вбік і долати опір. Форма тіла та швидкість плавання впливають на цей опір.

Хвіст кита забезпечує тягу, щоб допомогти йому рухатися, тоді як форма його тіла впливає на те, як вода тече навколо нього.

Тому зусилля, необхідне для занурення, залежить як від вертикальних сил, так і від опору під час руху.

Чому ця різниця важлива

Кит, який тоне, не обов’язково рухається через опор. Його схильність до занурення пов’язана з балансом між силою тяжіння та плавучістю.

Так само кит, який пливе вгору, відчуває опор, навіть якщо його плавучість також сприяє його підйому.

Розділення цих понять полегшує розуміння фізики руху кита.

Чого можуть навчитися спостерігачі за китами з плавучості в Самана?

Самана є відомим місцем для сезонних спостережень за горбатими китами Північної Атлантики.

Під час подорожі зі спостереженням за китами відвідувачі можуть побачити, як кит дихає на поверхні, зникає під водою та з’являється знову пізніше. Більшість рухів тварини між цими спостереженнями відбувається поза полем зору спостерігача.

Плавучість допомагає пояснити деякі фізичні процеси, але не розкриває повну поведінку кита під водою.

Розуміння зникнення

Коли кит зникає під хвилями, він може опускатися, рухатися горизонтально під водою або слідувати шляхом, який не видно з поверхні. човен.

Зміни плавучості є частиною фізики її руху, але спостерігач не може визначити точну глибину або траєкторію тварини лише зникненням.

Оцінка пристосувань тварини

Здатність переміщатися між глибинами вимагає не лише сили. Горбаті кити повинні діяти в межах фізичних обмежень тиску води, плавучості, опору та потреби дихати повітрям.

Розуміння цих факторів полегшує оцінку складності поведінки китів, не припускаючи, що кожне занурення відбувається за однаковою схемою.

Для відповідального спостереження за китами відвідувачі повинні дозволити тваринам рухатися природно та виконувати вказівки провідника, а не намагатися передбачити чи змусити наблизитися. зустріч.

Часті запитання

Що тримає горбатого кита на плаву?

Плавучесть від витісненої води діє на все тіло кита. Його середня щільність, включаючи його тканини та повітряні простори, визначає, чи має він тенденцію підніматися чи опускатися.

Чи може горбатий кит тонути під водою?

Так. Залежно від загальної щільності, глибини та стану дихання кит може відчувати негативну плавучість і прагнути тонути. Він також може активно плисти вниз.

Чи допомагає легеневе повітря горбатому киту плавати?

Повітря в дихальній системі сприяє плавучості, оскільки повітря набагато менш щільне, ніж вода. Однак це лише один із факторів загальної плавучості кита.

Чи впливає тиск води на плавучість кита?

Так. Тиск зростає з глибиною та стискає заповнені газом простори, змінюючи їхній об’єм і внесок у плавучість.

Чи плавучість – це те саме, що плавання?

Ні. Плавучість — це сила, що піднімається вгору, спричинена витісненням води, тоді як плавання передбачає створення сил для руху крізь воду. Обидва впливають на рух кита.

Чи можуть горбаті кити залишатися на одній глибині, не плаваючи?

Їхня здатність підтримувати глибину з невеликими вертикальними зусиллями залежить від їхньої плавучості та навколишніх умов. Навіть коли плавучість близька до нейтральної, течії та інші рухи можуть вплинути на їхнє положення.

Чи підшкірний жир контролює плавучість кита?

Вальний жир впливає на загальний склад тіла, а отже, впливає на середню щільність тіла. Його основні функції включають ізоляцію та накопичення енергії, тому його не слід розглядати як спеціальний механізм контролю плавучості.

Чи можуть спостерігачі за китами передбачити, де горбатий спливе на поверхню, розуміючи плавучість?

Ненадійно. Плавучість є лише одним з факторів впливу на рух під водою. Напрямок руху кита, активність плавання та поведінка під час занурення також впливають на те, де і коли він знову з’являється.

Висновок

Горбаті кити керують плавучістю завдяки сукупному впливу складу тіла, повітря в дихальній системі, тиску води та сил, що діють на них під час плавання.

Їхня плавучість може змінюватися з глибиною, оскільки тиск стискає заповнені газом простори. У той же час плавання за допомогою хвоста допомагає китам рухатися вниз, вгору або горизонтально, якщо це необхідно.

Для відвідувачів, які спостерігають за горбатими китами в Самані, ця наука пропонує корисну перспективу того, що відбувається після того, як кит зникає під поверхнею. Його підводна подорож сформована фізикою води та спеціальною біологією морських ссавців, які повинні повернутися, щоб вдихнути повітря.

Плавучість не пояснює кожне занурення, але це важлива частина розуміння того, як горбаті кити орієнтуються в океані.