Биомеханика гепарда

Московский Государственный Университет

им. Михаила Васильевича Ломоносова

Физический факультет

Реферат на тему:

"Биомеханика гепарда"

выполнил

Бадмаев Аюр,

студент 301 группы.

Москва 2013

Введение

Движения птиц и зверей, рыб и насекомых издавна привлекали внимание человека. Он хотел перемещаться по земле, воде и воздуху так же легко и изящно. Однако прошли многие тысячелетия, прежде чем люди создали науку о движении - механику - и сумели найти материалы и создать конструкции, не уступающие в скорости и дальности передвижения любым представителям животного мира.

Действительно, самолеты поднимаются выше всех птиц, батискафы погружаются глубже практически всех рыб и морских животных, автомобили обгоняют любых зверей. Но ученые и конструкторы постоянно изучают те особенности живой природы, которые позволили бы машинам и механизмам не только устанавливать рекорды, но и двигаться и работать так же плавно, грациозно и бесшумно, как это удается, например, дельфинам или стрекозе.

Миллионы лет гепарды, самые быстрые животные на планете, охотятся на антилоп, но эволюция наградила антилопу противодействием, чтобы у неё был шанс спастись. Чтобы выжить гепарду понадобилось развивать не только скорость, но и другие способности.

Это поединок биомеханики.

Основная часть:

Гепарды и антилопы примерно равные соперники в борьбе за выживание. Гепард может развивать умопомрачительную скорость равную 120 км/час. Но некоторые представители семейства антилоп почти такие же быстрые, например, импалы и газели. Они достигают скорости 95 км/час.

Однако не только скорость позволяет гепарду достигнуть свою добычу. Но также способность к стремительному ускорению, которая делает гепарда одним их самых успешных африканских хищников. Они настигают каждую вторую потенциальную жертву. Гепард реагирует молниеносно, разгоняясь до 95 км/ч менее чем за 3 секунды, быстрее реактивного самолёта.

Всё дело в идеальном строении его позвоночника. Примерно 60 % его мышечной массы сосредоточено возле позвоночника. Он с силой растягивается и сжимается, увеличивая расстояние, преодолеваемое за 1 шаг, примерно на метр и позволяя ему преодолевать 8 метров за 1 прыжок.

Земля проносится мимо со скоростью 31 м/с. Но гепард не теряет цель. Как только он совершает свой непревзойдённый рывок, антилопа теряет преимущество. Но работа гепарда ещё не окончена. Он создан для скорости и, даже поймав жертву, не может прокусить позвоночник подобно льву. В его аэродинамическом черепе не остаётся места для сильных челюстных мышц и мощных зубов. Гепард может умертвить добычу только одним способом, добравшись до горла и произведя удушающий захват. Он сдавливает горло антилопы и удерживает его примерно 10 минут. В то время, как он перекрывает антилопе доступ кислорода, он увеличивает его для себя, делая глубокий вдох через свою расширенную носовую полость, пытаясь восстановиться после гонки со скоростью 120 км в час. Но он не может отдыхать больше. Животное весит как он сам и ему нужно оттащить его оттуда. Гепард не может есть на равнине и должен спрятать еду в безопасное место и насладиться ей как можно скорее, не привлекая внимания других хищников. Одними только зубами он тащит 30-килограммовую тушу под дерево. Ему нужно ненадолго остановиться, чтобы перевести дыхание. Для полного восстановления правильного сердцебиения гепарду требуется отдых от 15 минут до получаса. Он может бежать быстрее любого другого наземного животного, но это отнимает много сил. За одну погоню он сжигает более трёхсот калорий. Для этого человек должен пробежать без остановки 30 минут, гепарду требуется для этого всего 30 секунд. Он проводит полчаса за отдыхом, а потом ест. Либо если это самка гепарда, она должна принести еду своим детёнышам. Половину добычи у гепарда отбирают более крупные хищники. Гепарды не созданы для драки и у них просто нет шансов. Кража антилопы настоящий удар для гепарда. В среднем самка сжигает 2500 калорий в день, а эта питательная еда почти в 5000 калорий зарядила бы её энергией ещё на 2 дня. Гепард выживет, если будет потреблять больше калорий, чем тратить. Как только уровень оказывается на "нуле" - это опасно: начинают истощаться её собственные мышечные запасы. Самки гепардов всегда матери-одиночки, поэтому самке приходится оставлять детей, чтобы отправится на охоту.

Самка вдалеке может заметить то, что человеку не под силу увидеть невооружённым глазом. Когда два самых быстрых животных встречаются в битве, её исход зависит не только от скорости, но и от зрения. У гепарда, как и у большинства хищников, глаза расположены на передней части черепа. Гепард владеет бинокулярным и пространственным зрением, чтобы точно рассчитывать расстояние до жертвы. Зрение очень важно для гепарда, но для антилопы оно ещё важнее. Глаза антилопы расположены по бокам черепа как у большинства травоядных. Если поле зрения гепарда составляет 200 градусов, то глаза антилопы дают ей обзор в 270 градусов. С помощью незначительного поворота головы она может контролировать всю окружающую обстановку. Её глаза настолько чувствительны к движению, что она способна заметить мельчайшее перемещение хищника. Попав в поле зрения антилопы, гепард замирает. Он знает, что без движения он практически невидим.

Тёмно жёлтый окрас гепарда помогает ему сливаться с окружающей средой так, что некоторым животным его очень трудно заметить. Он слегка вдавливает лапы в землю и готовится совершить рывок, подобно бегуну, который готов стартовать по сигналу.

В этой древней как мир смертельной битве у гепарда всегда было преимущество в скорости, но ведь нужно ещё догнать. А у гепарда совсем нет выносливости, и на этой охоте, если не будет хорошего рывка, этой самке предстоит долгая гонка, доводящая её мощный организм до предела: при беге она совершает 2,5 вдоха в секунду, её массивное сердце перекачивает 16 литров крови в минуту, проводя полное кровоснабжение организма менее чем за 20 секунд. С такими темпами у неё есть всего 30 секунд до перегрузки, её сердце гонит кровь температурой 39 градусов прямо в мозг, ещё градус другой и он перегреется. У неё всего несколько секунд, чтобы убить жертву, или погоня убьёт её. Как только организм начинает перегружаться и перегреваться, мозг оказывается наиболее уязвимой частью, если он перегреется, это нанесёт непоправимый ущерб. Но для антилопы перегрев не столь опасен, благодаря встроенной системе охлаждения: перед попаданием в мозг кровь проходит через пучок сосудов, которые охлаждаются с помощью воздушной струи, поступающей через расширенную носовую полость. Подобно радиаторной решётки в автомобиле это предотвращает перегрев жизненно важных органов. И если даже температура тела достигает 42 градусов, мозг защищён и антилопа продолжает гонку. Когда организм гепарда достигает 40 градусов у него всего пару секунд до принятия решения отпустить антилопу или погибнуть в попытке её догнать. Гепард, который начинает охоту преждевременно может очень быстро истощить себя и остаться без добычи.

Антилопа может бежать со скоростью 80 км в час. Что ж, гепард способен бежать ещё быстрее. Но антилопа может поддерживать эту скорость очень долгое время, они выносливые бегуны, которые умеют быстро бегать, а гепарды просто спринтеры. С каждой неудачной попыткой гепард теряет всё больше и больше энергии. Самцы антилоп вместо того чтобы убегать, могут скакать вверх и вниз: у копытных это называется смотровой прыжок, последняя отчаянная попытка запугать гепарда, демонстрируя силу и выносливость. И это может сработать.

При нападении гепарда на стаю антилоп, они срываются с места и бегут в разные стороны, подпрыгивая на три метра в воздух, тем самым сбивая гепарда с толку, и хищник может оставить погоню, снова растратив часть собственных сил.

После двух дней голода самки гепарда и её детёнышей дела принимают крутой оборот. Физически гепарды могут прожить без еды как мы с вами, то есть пять или шесть дней, потом они просто свалятся от голода.

Когда самка приближается на несколько сотен метров к добыче, она переходит в режим скрытности. Внезапно, самые быстрые лапы на земле начинают двигаться очень медленно. Она может выслеживать свою жертву около часа, выжидая лучший момент, особенно если в стае есть детёныши, которые могут немного отбиться, но и в этот момент гепард должен находиться на оптимальном для погони расстоянии от него, иначе детёныш может обратно прибиться к стае.

Сделав взрывной рывок, гепард разгоняется до 95 км в час за 3 секунды: на такой скорости изображение искажается и размывается, становится почти невозможным точно сфокусироваться на цели. Но и тут мы видим чудеса биомеханики: у гепардов есть эластичная связка, соединяющая шею с позвоночником, она даёт гепарду оптическую стабилизацию изображения, и даже на головокружительной скорости его шея и голова отлично зафиксированы и нацелены идеально вперёд, обеспечивая особую точность, чтобы выследить жертву и убить её.

После поимки мать прокусывает заднюю часть туши, где больше всего мяса, ведь зубы детёнышей не достаточно крепкие для этого. Потом они подходят и первыми начинают трапезу. После того как они поедят, ей может остаться мало мяса, если это был детёныш антилопы. Она немного восполнит запасы энергии, но останется по-прежнему истощена после нескольких дней голода и, несмотря на это, должна снова идти на охоту. Охотясь на детёнышей антилоп, самка может прокормить только своих детей, но не себя. Её семье нужна крупная антилопа.

Гепард подкрадывается более часа на расстояние 45 метров, достаточно близкое для атаки. Крупную особь одолеть трудно, но гепард способен свалить своего гигантского противника с ног. Настигнув противника, он вцепляется в жертву передними лапами, и когда нога антилопы движется назад, он втягивает лапу и атакует важнейшим для скоростной погони оружием - своим "рудиментарным" когтем. Этот коготь никогда не кается земли во время бега и поэтому остаётся острым как бритва. Она вцепляется им в бедро антилопы. Животное бежит со скоростью 80 км в час, стараясь освободиться от хватки гепарда, но коготь вошёл в толстую шкуру антилопы очень глубоко и избавиться от него непросто. Используя один лишь коготь всего в 2,5 см длинной, он единственным смертоносным ударом сумел повалить 60 кг антилопу на землю.

Рудиментарный коготь гепарда может сбить крупную антилопу с ног, но учитывая крупные размеры последней, не всегда сможет её удержать. Самка гепарда рискует погибнуть сама. Остальные когти гепарда слишком тупые, чтобы её удержать и проткнуть шкуру антилопы, да и челюсти слишком слабые и не всегда могут выполнить хороший захват. Нехватка оружия в этой гонке биомеханики вынуждает самку гепарда на отчаянный шаг - попытку провести смертельный укус. Рога антилопы направлены прямо вперёд, поэтому в процессе схватки гепард должен определить, как лучше подобраться к шее и сделать захват.

Самке часто приходится оставлять детей одних, уходя на охоту, но львы, гиены и леопарды представляют серьёзную угрозу для них. Когда самка гепарда теряет своих детёнышей и не чувствует их запаха, ей нельзя привлекать много внимания, и ей приходится выслеживать детёнышей, не выдавая их присутствия. Она начинает щебетать им подобно птице. Большие хищники привыкли к рычащим звукам типичным для больших кошек, не обращая внимания на птичий щебет. Когда львы и гиены убивают детёнышей гепарда, они их даже не едят, они делают это, чтобы избавиться от конкурентов на своей территории.

скорость гепард биомеханика зрение

Самка гепарда может прогнать гиену, хотя гиена больше, сильнее и просто лучше дерётся. Но гепарду помогают длинные чёрные линии под глазами. Они единственные представители семейства кошачьих, у которых есть такие линии, тянущиеся от глаз до уголков пасти. Эти линии усиливают их мимику. Так индейцы наносили боевую раскраску, чтобы казаться опаснее. Поэтому если она рычит и шипит и линии заставляют её выглядеть более агрессивно, иногда ей получается прогнать гиену.

Лишь 10 % детей доживут до годовалого возраста. Первый год жизни самый трудный, за ними наблюдают буквально отовсюду, поджидая, когда мама оставит их от присмотра. И самке предстоит сделать нелёгкий выбор: уйти на охоту, чтобы их прокормить, или остаться и защищать от постоянной угрозы.

Чтобы остаться на ногах во время голода, как и людям, ей приходится сжигать собственный жир и задействовать даже мышцы. Порой охота может стать последней. Гепард может поменять тактику и вместо того, чтобы охотиться на закате или рассвете, когда вокруг много конкурентов, он начинает поиски в полдень, когда активность других хищников уменьшается. Солнце в это время самое яркое. Это является проблемой для большинства африканских хищников, но гепард умеет справляться со слепящим светом. Чёрные линии, которые уберегли её детёнышей от гиены, способны улучшить её зрение в условиях ослепительного африканского солнца. Когда спортсменам приходится играть в футбол или бейсбол в полдень, они рисуют возле глаз чёрные полоски, чтобы ослабить действие солнечного света. То же самое у гепардов: свет не сильно мешает им, когда они охотятся.

Экипированная самка не обязательно всегда старается быть в невидимой антилопам задней зоне, она также может красться сбоку, чтобы избежать ветра с её стороны. Обоняние антилопы просто изумительное, поэтому даже сзади на очень большой дистанции гепард может спугнуть стаю.

Всего за десять секунд гепард сокращает дистанцию с 35 до 15 метров в погоне за антилопой. Ещё 2 секунды и она сможет вцепиться антилопе в спину, но жертва, бросаясь из стороны в сторону, может избежать такой участи. С каждым поворотом время идёт и гепард теряет всё больше ресурсов.

Чтобы максимально точно контролировать свои движения на огромной скорости, гепард использовал две части тела. Во-первых, когти: в отличие от когтей других кошек они не втягиваются до конца и действуют как шипованая обувь, улучшая сцепление и позволяя делать самые крутые обороты среди всех африканских кошачьих. Поэтому даже на этой огромной скорости она с лёгкостью совершает поворот. Её проворству способствует также 75 см хвост. Он очень длинный и состоит из сплошных мышц. На высоких скоростях он действует как штурвал на корабле: когда гепард поворачивает, он выбрасывает хвост в противоположную сторону, чтобы повернуть. Его когти и хвост обеспечивают необходимую ловкость и баланс, чтобы не отстать от антилопы не на шаг. И преодолевая большее расстояние за один прыжок, он вскоре догоняет добычу.

Обессиливший гепард старается оправиться от погони. Но в этот момент начинается второй этап охоты, и в неё могут вступить уже другие хищники. Он может подвергнуться нападению и уступить свою добычу голодному сопернику, но ему нужно собратья с силами после погони и протащить 45-килограммовую тушу к своим детёнышам, избежав атаки, то есть сделать это, не привлекая внимания. Но и там на запах крови к гепарду может слететься свора стервятников или других хищников, атакуя его и показав, что они готовы сражаться до смерти. Но если гепард повредит лапу, он станет ни на что не годным. Так природа устанавливает правила игры для хищников.

Заключение

Гепард, превосходно скомбинировав навыки хищника, незаметно подкрадывается к жертве, делает стремительный рывок, мгновенно принимает решение в погоне, набирает скорость, затем точно рассчитывает время удара рудиментарным когтем и получает свою долгожданную добычу и шанс спасения детёнышей от голодной смерти. Гепард самое быстрое наземное животное, один из лучших африканских хищников. Но генетически ему пришлось многим пожертвовать. Гепарды приспособлены к конкретным условиям, потому что за каждую адаптацию и возможность развивать большую скорость им приходится платить, и никаких компромиссов. Его небольшая голова повышает аэродинамику и позволяет развивать максимальную скорость, но это означает слабые челюсти и маленькие зубы. Его наполовину втягиваемые когти дают отличное сцепление и проворство, но их никак нельзя назвать смертоносным оружием. Лёгкий скелет делает его стремительно быстрым и лёгким, но тонкие кости означают маленькую массу: в весе его часто превосходят другие хищники и даже травоядные.

Это просто часть постоянной битвы за выживание. Популяция крупных хищников, львов и гиен повысилась, и это негативно сказалось на популяции гепардов и за последние сто лет мы потеряли 90 % всех особей. Самкам приходится нелегко, им нужно кормить своих детёнышей, защищать их от опасностей и учить их стратегией хищников в надежде, что когда-нибудь они смогут выживать сами по себе. К счастью для неё, у них уже есть самое смертоносное оружие для охоты, генетический дар, данный им при рождении - чистая, дарованная природой скорость.

Источники

1)http://biomexanika.blogspot.ru/ - Сайт о биомеханике, биомеханика, статьи о биомеханике, бионика.

)Телепрограмма на канале NAT GEO WILD "Суперхищники: Гепард"