Fin - Fin
En finne er en tynd komponent eller et vedhæng fastgjort til en større krop eller struktur. Finner fungerer typisk som folier, der producerer løft eller tryk , eller giver mulighed for at styre eller stabilisere bevægelse, mens de rejser i vand, luft eller andre væsker . Finner bruges også til at øge overfladearealer til varmeoverførselsformål eller simpelthen som ornamentik.
Finner udviklede sig først på fisk som et middel til bevægelse. Fiskefinner bruges til at generere tryk og kontrollere den efterfølgende bevægelse. Fisk og andre vanddyr, såsom hvaler , driver aktivt og styrer sig selv med bryst- og halefinner . Når de svømmer, bruger de andre finner, såsom dorsale og analfinner , for at opnå stabilitet og forfine deres manøvrering.
Finnerne på halen af hvaler , ichthyosaurer , metriorhynchids , mosasaurer og plesiosaurer kaldes flukes .
Genererer tryk
Folieformede finner frembringer tryk, når løftet på finnen sætter vand eller luft i bevægelse og skubber finnen i den modsatte retning. Vanddyr får en betydelig fremdrift ved at flytte finner frem og tilbage i vand. Ofte bruges halefinnen , men nogle vanddyr genererer tryk fra brystfinner . Finner kan også generere tryk, hvis de roteres i luft eller vand. Turbiner og propeller (og undertiden ventilatorer og pumper ) bruger et antal roterende finner, også kaldet folier, vinger, arme eller klinger. Propeller bruger finnerne til at omsætte vridningskraft til lateralt tryk, og driver dermed et fly eller skib frem. Turbiner arbejder omvendt og bruger bladernes løft til at generere drejningsmoment og kraft fra bevægelige gasser eller vand.
_diagram_cropped.GIF)
Kavitation kan være et problem med applikationer med høj effekt, hvilket kan resultere i skader på propeller eller møller samt støj og tab af strøm. Kavitation opstår, når negativt tryk får bobler (hulrum) til at dannes i en væske, som derefter hurtigt og voldsomt kollapser. Det kan forårsage betydelig skade og slid. Kavitationsskader kan også forekomme halefinner af kraftige svømmende havdyr, såsom delfiner og tun. Kavitation er mere tilbøjelig til at forekomme nær overfladen af havet, hvor det omgivende vandtryk er relativt lavt. Selvom de har magt til at svømme hurtigere, kan delfiner muligvis begrænse deres hastighed, fordi kollapsende kavitationsbobler på halen er for smertefulde. Kavitation bremser også tun, men af en anden grund. I modsætning til delfiner mærker disse fisk ikke boblerne, fordi de har benede finner uden nerveender. Ikke desto mindre kan de ikke svømme hurtigere, fordi kavitationsboblerne skaber en dampfilm omkring finnerne, der begrænser deres hastighed. Der er fundet læsioner på tun, der er i overensstemmelse med kavitationsskader.
Scombrid fisk (tun, makrel og bonito) er særligt højtydende svømmere. Langs margen på bagsiden af deres kroppe er en linje af små stråleløse, ikke-tilbagetrækkelige finner, kendt som finlets . Der har været mange spekulationer om disse finlets funktion. Undersøgelser foretaget i 2000 og 2001 af Nauen og Lauder indikerede, at "finterne har en hydrodynamisk virkning på lokal strømning under konstant svømning", og at "den mest bageste finlet er orienteret mod at omdirigere strømning til den udviklende halevirvel, hvilket kan øge tryk fremkaldt af halen af svømmende makrel ".
Fisk bruger flere finner, så det er muligt, at en given finne kan have en hydrodynamisk interaktion med en anden finne. Især kan finnerne umiddelbart opstrøms for halefinnen være nærfinner, der direkte kan påvirke strømningsdynamikken ved halefinnen. I 2011 kunne forskere, der brugte volumetriske billeddannelsesteknikker , generere "de første øjeblikkelige tredimensionelle visninger af vågestrukturer, når de produceres af frit svømmende fisk". De fandt ud af, at "kontinuerlige haleslag resulterede i dannelsen af en sammenkædet kæde af hvirvelringe", og at "dorsale og anale finvågninger hurtigt blev medtaget af halefinnenes vågne, cirka inden for tidsrammen for et efterfølgende haleslag".
Kontrol af bevægelse
Når bevægelse er etableret, kan selve bevægelsen styres med brug af andre finner. Både kontrollerer retning (yaw) med finnelignende ror og ruller med stabilisatorfinner og kølfinner. Flyvemaskiner opnår lignende resultater med små specialiserede finner, der ændrer formen på deres vinger og halefinner.
.jpg)
Stabiliserende finner bruges som fletching på pile og nogle dart , og på bagsiden af nogle bomber , missiler , raketter og selvkørende torpedoer . Disse er typisk plane og formet som små vinger, selvom grid finner undertiden anvendes. Statiske finner er også blevet brugt til en satellit, GOCE .
_launches_RIM-7_Sea_Sparrow_on_6_February_2004_(040206-N-2970T-002).jpg)
Regulering af temperaturen
Ingeniørfinner bruges også som varmeoverførselsfinner til at regulere temperaturen i kølelegemer eller finnestråler .
Ornamentik og andre anvendelser
I biologi kan finner have en adaptiv betydning som seksuelle ornamenter. Under frieri, den kvindelige cichlide , Pelvicachromis taeniatus , viser en stor og visuelt fængslende lilla bækken finner . "Forskerne fandt ud af, at hanner klart foretrak hunner med en større bækkenfinne, og at bækkenfinner voksede på en mere uforholdsmæssig måde end andre finner på hunfisk."
Omformning af menneskelige fødder med svømmefinner , snarere som halefinnen på en fisk, tilføjer slagkraft og effektivitet til sparkene fra en svømmer eller undervandsdykker Surfbrædder finner giver surfere midler til at manøvrere og kontrollere deres brædder. Moderne surfbrætter har ofte en centerfin og to kamrerede sidefinner .
Ligene af reef fisk er ofte formet anderledes end åbent vand fisk . Åbent vand fisk er normalt bygget til hastighed, strømlinet som torpedoer for at minimere friktion, når de bevæger sig gennem vandet. Revfisk opererer i de relativt begrænsede rum og komplekse undersøiske landskaber i koralrev . For denne manøvredygtighed er vigtigere end lige linjehastighed, så koralrevfisk har udviklet kroppe, der optimerer deres evne til at pile og ændre retning. De overlader rovdyr ved at undvige sprækker i revet eller lege gemmeleg omkring koralhoveder. Bryst- og bækkenfinnerne for mange revfisk, såsom sommerfuglfisk , damselfish og angelfish , har udviklet sig, så de kan fungere som bremser og tillade komplekse manøvrer. Mange revfisk, såsom sommerfuglfisk , damselfish og angelfish , har udviklet kroppe, der er dybe og sideværts komprimeret som en pandekage og vil passe ind i sprækker i klipper. Deres bækken- og brystfinner er designet forskelligt, så de fungerer sammen med den flade krop for at optimere manøvredygtigheden. Nogle fisk, såsom pufferfisk , filefish og stamfisk , er afhængige af brystfinner til svømning og bruger næsten ikke halefinner overhovedet.
Evolution af finner
.png)
(1) brystfinner (parret), (2) bækkenfinner (parret), (3) rygfinne, (4) fedtfinne, (5) analfinne, (6) halefinde (hale) fin
Aristoteles erkendte sondringen mellem analoge og homologe strukturer og foretog følgende profetiske sammenligning: "Fugle ligner på en måde fisk. For fugle har deres vinger i den øverste del af deres kroppe, og fisk har to finner i den forreste del af deres kroppe. Fugle har fødder på underdelen, og de fleste fisk har et andet par finner i deres underdel og nær deres forfinner. "
- Aristoteles, De incessu animalium
Der er en gammel teori, foreslået af anatomisten Karl Gegenbaur , som ofte er blevet ignoreret i videnskabens lærebøger, "at finner og (senere) lemmer udviklede sig fra gællerne hos et uddødt hvirveldyr". Huller i fossilrekorden havde ikke tilladt en endelig konklusion. I 2009 fandt forskere fra University of Chicago bevis for, at den "genetiske arkitektur for gæller, finner og lemmer er den samme", og at "skelettet af ethvert vedhæng fra et dyrs krop sandsynligvis er mønstret af det udviklingsmæssige genetiske program, der vi har sporet tilbage til dannelse af gæller i hajer ”. Nylige undersøgelser understøtter ideen om, at gællebuer og parrede finner er serielt homologe, og således at finner kan have udviklet sig fra gællevæv.
Fisk er forfædre til alle pattedyr, krybdyr, fugle og padder. Især terrestriske tetrapoder (firbenede dyr) udviklede sig fra fisk og foretog deres første strejfer mod land for 400 millioner år siden. De brugte parrede bryst- og bækkenfinner til bevægelse. Brystfinnerne udviklede sig til forben (arme i tilfælde af mennesker) og bækkenfinner udviklede sig til bagben. Meget af det genetiske maskineri, der bygger et gående lem i en tetrapod, er allerede til stede i en fiskes svømmefinne.
I 2011 brugte forskere ved Monash University i Australien primitive, men stadig levende lungefisk "til at spore udviklingen af bækkenfinemuskler for at finde ud af, hvordan tetrapodernes bærende bagben udviklede sig." Yderligere forskning ved University of Chicago fandt, at bundfiskende lungefisk allerede havde udviklet karakteristika ved gangarter af terrestriske tetrapoder.
I et klassisk eksempel på konvergent evolution udviklede pectorosaurers , fugle og flagermusers pectorale lemmer sig yderligere langs uafhængige stier til flyvende vinger. Selv med flyvende vinger er der mange ligheder med gangben, og kerneaspekter af den genetiske plan for brystfinnen er bevaret.
For omkring 200 millioner år siden dukkede de første pattedyr op. En gruppe af disse pattedyr begyndte at vende tilbage til havet for omkring 52 millioner år siden og fuldførte dermed en cirkel. Disse er hvaler (hvaler, delfiner og marsvin). Nylig DNA-analyse tyder på, at hvaler udviklede sig inde fra de ensartede hovdyr , og at de deler en fælles forfader med flodhesten . For omkring 23 millioner år siden begyndte en anden gruppe bjørnelignende landpattedyr at vende tilbage til havet. Det var sælerne . Det, der var blevet til lemmer hos hvaler og sæler, udviklede sig yderligere uafhængigt i en omvendt form af konvergent udvikling tilbage til nye former for svømmefinner. Forbenene blev til svømmefødder, og bagbenene blev en hale, der afsluttede i to finner, kaldet en lud i tilfælde af hvaler. Fiskhaler er normalt lodrette og bevæger sig fra side til side. Hvaler er vandrette og bevæger sig op og ned, fordi hvalrygderne bøjer på samme måde som hos andre pattedyr.
Ichthyosaurs er gamle krybdyr, der lignede delfiner. De dukkede først op for omkring 245 millioner år siden og forsvandt for omkring 90 millioner år siden.
"Dette havgående krybdyr med terrestriske forfædre konvergerede så stærkt på fisk, at det faktisk udviklede en rygfinne og hale på det helt rigtige sted og med det helt rigtige hydrologiske design. Disse strukturer er desto mere bemærkelsesværdige, fordi de udviklede sig fra ingenting-den forfædres terrestriske krybdyr havde ingen pukkel på ryggen eller klinge på halen for at tjene som en forløber. "
Biologen Stephen Jay Gould sagde, at ichthyosauren var hans yndlingseksempel på konvergent evolution .
Robotte finner
| Ekstern video | |
|---|---|
 Havkatten Charlie - CIA -video
| |
|
AquaPenguin - Festo, YouTube
| |
|
AquaRay - Festo, YouTube
| |
|
AquaJelly - Festo, YouTube
| |
|
AiraCuda - Festo, YouTube
|
Anvendelsen af finner til fremdrift af vanddyr kan være bemærkelsesværdig effektiv. Det er blevet beregnet, at nogle fisk kan opnå en fremdriftseffektivitet større end 90%. Fisk kan accelerere og manøvrere meget mere effektivt end både eller ubåd og producere mindre vandforstyrrelser og støj. Dette har ført til biomimetiske undersøgelser af undervandsrobotter, der forsøger at efterligne bevægelse af vanddyr. Et eksempel er Robot Tun, der blev bygget af Institute of Field Robotics , for at analysere og matematisk modellere tunnformet bevægelse . I 2005 viste Sea Life London Aquarium tre robotfisk skabt af datalogisk afdeling ved University of Essex . Fiskene var designet til at være autonome, svømme rundt og undgå forhindringer som rigtige fisk. Deres skaber hævdede, at han forsøgte at kombinere "tunens hastighed, acceleration af gedder og ålens færdigheder."
Den AquaPenguin , udviklet af Festo Tyskland, kopierer den strømlinede form og fremdrift ved forreste svømmefødder af pingviner . Festo udviklede også henholdsvis AquaRay , AquaJelly og AiraCuda , der efterligner bevægelsen af manta stråler, vandmænd og barracuda.
I 2004 prototypede Hugh Herr på MIT en biomekanisk robotfisk med en levende aktuator ved kirurgisk at transplantere muskler fra frøben til robotten og derefter få robotten til at svømme ved at pulse muskelfibrene med elektricitet.
Robotfisk tilbyder nogle forskningsfordele, såsom evnen til at undersøge en individuel del af et fiskedesign isoleret fra resten af fisken. Dette risikerer imidlertid at forenkle biologien, så centrale aspekter af dyrets design overses. Robotfisk gør det også muligt for forskere at variere en enkelt parameter, såsom fleksibilitet eller en bestemt bevægelseskontrol. Forskere kan direkte måle kræfter, hvilket ikke er let at gøre i levende fisk. "Robotanordninger letter også tredimensionelle kinematiske undersøgelser og korrelerede hydrodynamiske analyser, da lokomotoroverfladens placering kan kendes nøjagtigt. Og individuelle komponenter i en naturlig bevægelse (som f.eks. Udslag ift. Slag i et flappende vedhæng) kan programmeres separat, hvilket bestemt er svært at opnå, når man arbejder med et levende dyr. "
Se også
- Akvatisk bevægelse
- Fin og flipper bevægelse
- Fiskebevægelse
- Robot bevægelse
- RoboTuna
- Sejl (ubåd)
- Surfboard fin
Referencer
Yderligere læsning
- Blake, Robert William (2004). "Fisk funktionelt design og svømning præstationer". Journal of Fish Biology . 65 (5): 1193–1222. doi : 10.1111/j.0022-1112.2004.00568.x .
- Blake, Robert William (1983) Fish Locomotion CUP Archive. ISBN 9780521243032 .
- Breder, CM (1926). "Fiskernes bevægelse". Zoologica . 4 : 159–297.
- Fisk, FE; Påfugl, JE; Rohr, JJ (2002). "Stabiliseringsmekanisme i svømning af Odontocete -hvaler ved trinvise bevægelser" (PDF) . Havpattedyrs videnskab . 19 (3): 515–528. doi : 10.1111/j.1748-7692.2003.tb01318.x .
- Hawkins, JD; Sepulveda, CA; Graham, JB; Dickson, KA (2003). "Undersøgelser af svømmepræstationer om den østlige Stillehavsbonito Sarda chiliensis , en nær slægtning til tunfiskene (familien Scombridae) II. Kinematik" . Journal of Experimental Biology . 206 (16): 2749–2758. doi : 10.1242/jeb.00496 . PMID 12847120 .
- Lauder, GV; Drucker, EG (2004). "Morfologi og eksperimentel hydrodynamik af fiskefinekontroloverflader" (PDF) . Journal of Oceanic Engineering . 29 (3): 556–571. Bibcode : 2004IJOE ... 29..556L . doi : 10.1109/joe.2004.833219 . S2CID 36207755 .
- Lauder, GV; Madden, PGA (2007). "Fiskebevægelse: kinematik og hydrodynamik af fleksible folielignende finner" (PDF) . Eksperimenter i væsker . 43 (5): 641–653. Bibcode : 2007ExFl ... 43..641L . doi : 10.1007/s00348-007-0357-4 . S2CID 4998727 . Arkiveret fra originalen (PDF) den 2012-12-24.
- Standen, EM (2009). " Muskelaktivitet og hydrodynamisk funktion af bækkenfinner i ørreder (Oncorhynchus mykiss)" . Journal of Experimental Biology . 213 (5): 831–841. doi : 10.1242/jeb.033084 . PMID 20154199 .
- Tangorra JL, CEsposito CJ og Lauder GV (2009) "Biorobotiske finner til undersøgelser af fiskelokomotion" I: Intelligent Robots and Systems , sider: 2120–2125. E- ISBN 978-1-4244-3804-4 .
- Tu X og Terzopoulos D (1994) "Kunstige fisk: Fysik, bevægelse, opfattelse, adfærd" I: Proceedings of the 21. årlige konference om computergrafik og interaktive teknikker , side 43–50. ISBN 0-89791-667-0 . doi : 10.1145/192161.192170
- Weihs, Daniel (2002). "Stabilitet kontra manøvredygtighed ved akvatisk bevægelse" . Integreret og beregningsbiologi . 42 (1): 127–134. doi : 10.1093/icb/42.1.127 . PMID 21708701 .
eksterne links
| Ekstern video | |
|---|---|
|
Robotfisk til overvågning af forurening i havne YouTube
| |
|
Robotfisk YouTube
| |
|
Robot Fish YouTube
| |
|
Robotisk haj YouTube
| |
|
Evolution af Surfboard Fin - YouTube
|
- Bevægelse i Fish Earthlife .
- Vejledning i beregning af væskedynamik Mange eksempler og billeder med referencer til robotfisk.
- Fish Skin Research University of British Columbia.
- Et finjusteret design The Economist , 19. november 2008.