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新的3D模型顯示了天堂樹蛇如何利用空中起伏飛行

當天堂樹蛇從一根高大的樹枝飛到另一根高大的樹枝上時,它的身體像碧綠的草叢在碧波蕩漾的藍天上起伏。這種運動,即空中起伏,發生在Chrysopelea家族成員唯一一次能夠飛行的無肢脊椎動物的每次滑行中??茖W家已經知道了這一點,但尚未完全解釋。

二十多年來,弗吉尼亞理工大學生物醫學工程與力學系教授杰克·索查(Jake Socha)一直試圖對蛇飛行的生物力學進行測量和建模,并回答有關它們的問題,例如空中起伏的功能作用。在《自然物理學》雜志發表的一項研究中,Socha組建了一個跨學科團隊,以開發第一個連續的,解剖學上準確的,在飛行中的金蛇菊3D數學模型。

該團隊包括凱文·克羅夫頓(Kevin T. Crofton)航空航天與海洋工程系的教授Shane Ross,以及剛獲得機械工程博士學位和該論文的主要作者Isaac Yeaton的團隊,他們在測量了100多條活蛇后開發了3D模型滑行。該模型將波動波的頻率,其方向,作用在身體上的力以及質量分布等因素考慮在內。有了它,研究人員進行了虛擬實驗來研究空中起伏。

在一組這些實驗中,為了了解為什么每次滑行都是起伏的原因,他們模擬了如果不進行起伏會發生的情況-通過將其關閉。當他們的虛擬飛蛇不再空中起伏時,它的身體開始跌落。該測試與模擬滑行相結合,使滑行的波浪不斷前進,證實了該團隊的假設:空中起伏增強了飛蛇的旋轉穩定性。

飛行和運動問題充斥著Socha的實驗室。該小組致力于研究飛蛇,研究青蛙如何從水中跳下并在水上跳躍,血液如何流過昆蟲,鴨子如何降落在池塘上。在某種程度上,Socha探究起伏在蛇滑行中的功能性很重要,因為很容易假設它實際上并沒有。

索查說:“我們知道蛇會由于各種原因和在各種運動環境中起伏。”“這是他們的基礎程序。按程序,我的意思是他們的神經,肌肉程序?-他們正在接受特定的指令:現在發射這條肌肉,發射那條肌肉,發射這條肌肉。這很古老。它超越了蛇。制造起伏是一種古老的現象。蛇很可能飛到空中,然后它會說:“我該怎么辦?我是蛇。我起伏。”

但是Socha相信還有更多的東西。在整個天堂樹蛇的飛行過程中,一次發生了很多事情,用肉眼很難解開它們。索查(Socha)描述了每次滑行時發生的幾個步驟-這些步驟是故意的。

首先,蛇跳起來,通常是將其身體彎曲成一個“ J形環”,然后彈跳而出。蛇在發射時會重新配置其形狀,其肌肉轉移以使身體扁平化,除了尾巴。當空氣流過它時,它會變成一個“變形翼”,在重力作用下向下加速,從而產生升力和阻力。Socha已在多項研究中檢查了這些空氣動力學特性。隨著蛇的扁平化,蛇會向身體發出波浪。

在研究開始時,Socha有一個關于空中起伏的理論,他通過比較兩種類型的飛機來解釋:超大型噴氣式飛機和噴氣式噴氣式飛機。他說,巨型噴氣式飛機的設計旨在保持穩定性,一旦受到干擾,它們就會自行自行恢復水平,而戰斗機則失去控制。

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