Az allatok helyvaltoztatasa

Az állatok helyváltoztatása

mozgás (helyváltoztatás) - életjelenség (élőlények alapvető tulajdonsága)

állatok   helyváltoztatást végzők (nagyrészük) + helyhezkötött életmód (pl. szivacsok, korallok, virágállatok)

1,5 millió állatfaj - változatos mozgásformák

2 alapforma: aktív + passzív

I. A gerinctelen állatok helyváltoztatása

1. sejtszervecskékkel való mozgás - egysejtűeknél (véglényeknél):

a) csillókkal - csillósoknál (pl. papucsállatka)

b) ostorral - ostorosoknál (pl. zöld ostoros)

c) állábakkal (amiboidális v. amöbaszerű mozgás) - amöbáknál (állábakkal)

2. izmokkal történő mozgás - többsejtűeknél

- hidra - araszolás, bukfencezés, úszás

- giliszta - izmokkal (bőr alatti hosszanti és körkörös izomrostok)

- tintahal - hullámzó hártya, tölcsér (rakétaelv), fogókarok

- csiga - hasláb

rákok - mászás, úszás (hátrafelé)

rovarok - szárnyak (repülés), lábak (mászás)

II. A gerincesek helyváltoztatása

csak izmokkal

függ: az élettértől

a)     a szárazföldön - lábak (végtagok)

hiányozhatnak - pl. kígyók, törékeny gyík

állásuk - oldalállás - pl. gyíkok, krokodilusok ("csúszómászók")

- alsóállás

emlősök - talponjárók - pl. medve, majom, ember

- ujjonjárók - pl. macska, tigris, kutya, ló (pata)

- 4 lábon járók / 2 lábon járók

- járás (lépés), mászás, szaladás

b)    vízben: - halak  - uszonyok

- kétéltűek (ebihalak - uszony) - úszó 535d37f hártya

c)     levegőben - repülés (rovarok, repülő halak, madarak, denevérek)

lehet: aktív (izommunkával) és passzív (sikló repülés)

• az állatok sebessége
• néhány nálunk élő állat lábnyoma (nem méretarányosan !):

Kiegészítés

A madarak repülése

A madarak repülésének vizsgálata
Az embert mindig lenyűgözte a madarak fenséges röpte, kecses, magabiztos, gyors és féktelen szárnyalása. A madár egyszerre jelképezte az erőt, az uralmat (pl. az ókori Rómában és a Habsburg-háznál a sas) és a békét (mint a fehér galamb képében megjelenő Szentlélek, Jézus keresztelésekor); ugyanakkor más keleti vallásokban is megjelenik, mint az isteni származás jelképe: ilyen a turul.

A csodálat és a tisztelet mellett az ember mindig utánozni akarta ezeknek a csodálatos lényeknek a levegőbe emelkedését és haladását, több-kevesebb sikerrel. Ma már egészen jól működő repülőgépekkel lehet a közlekedést gyorsabbá, zökkenőmentesebbé tenni, ám a levegő tökéletes urai mégiscsak a madarak maradtak. E rövid bevezető után szemléljük közelebbről a madarak repülését.
    A repülés funkcionális anatómiája és típusai

Régen azt hitték, a madarak úgy repülnek, hogy amikor lefelé csapnak a szárnyukkal, a tollaik össze vannak csukva, míg fölemelésnél tollaik átengedik a levegőt. Ez egyáltalán nincs így.

Ahhoz, hogy a madarak repülésének bonyolult mechanikáját, anatómiáját és emellett fizikáját megértsük, mindenekelőtt néhány fontos dolgot ismertetni kell.

A madaraknál szembetűnő a kültakarójuk. Ezt a bőr és a tollazat alkotja. Ötféle tollat különböztetünk meg, amelyek mindegyikének megvan a maga feladata. A toll gerincéből erednek az ágak (amelyek a zászlót alkotják), amelyekről a kiinduló párhuzamos sugarak a végükön található horgokkal kapcsolódnak össze (kivételek a pehelytollak). Bőrük vékony, egyetlen mirigyük a fartőmirigy. Beljebb haladva a vázrendszer elemeivel találkozunk.

1. ábra. A madár testtájékai és tollazata. Testtájékok: 1. felsô csôrkáva, 2. alsó csôrkáva, 3. orrnyílás, 4. viaszhártya, 5. homlok, 6. szemöldökív, 7. szemgyűrű, 8. fejtetô, fejbúb, 9. fültájék, 10. tarkó, 11. nyakszirt, 12. nyak, 13. áll, 14. pofa, 15. torok, 16. váll, 17. mellcsonti taréj, 18. mell, 19. has (Herzog, 1968 alapján)

A madár csontváza a testsúly 8-9%-a, ezért szokták a vékony, könnyű testű emberekre azt mondani, hogy madárcsontúak. A szárnyat (mint az embernél a kezet) a vállöv (hollócsőrcsont, lapocka, villacsont) és a szárny csontjai (karcsont, orsócsont, singcsont, szárnyközépcsontok, ujjak) alkotják. Ez a bámulatos pontossággal és célszerűséggel megtervezett vázrendszer, az egyéb segédberendezésekkel együtt, seregnyi mozgásforma végzésére ad lehetőséget.

Az evezőszárnyú repülés két alapfázisból tevődik össze: 1. Lecsapás, ezzel egyidejű elcsavarodás és 2. felemelés. A vállöv csontjait szilárdan tartják és a karcsont vízszintes síkú mozgatását végzik a lapockatájék izmai, a lapockakarizom, a széles hátizom, a hátulsó repülőhártya, az elülső repülőhártya.

Előrefelé mozgatja a karcsontot a hollócsőrcsont, a karizom és a kétfejű karizom. Hátrafelé mozgatja a karcsontot a lapockakarizom, a széles hátizom és a hátulsó repülőhártya feszítő izmai.

Ezután nézzük az említett lépéseket részletesebben. A szárny lecsapását és felemelését a mellizmok végzik. Két réteget alkotnak. Közvetlenül a bőr és a pólyák alatt helyezkedik el a nagy mellizom, vagy felületes szegyizom.

A szárny erőteljes lecsapása a nagy mellizomnak köszönhető, azonban tapadási helyéből adódóan nemcsak lefelé mozgatja a szárnyat, hanem a karcsontot el is csavarja, így a vízszintes síkkal 6^o-os szöget zár be.

Ha a szárny vége felé haladunk, láthatjuk, hogy az alkar még jobban előrefordul (eközben a szárny nyújtott helyzetben van). Ez már magyarázatot nyújt arra, hogy mi is az egyes szárnyrészek feladata. A karevezőkön nagy felhajtóerő és kisebb tolóerő érvényesül. A kézevezők egy hátrafelé ható mozgáskomponenst közölnek a levegővel, tehát az előrehaladást segítik, és kevésbé a levegőben maradást. Ebből láthatjuk, hogy a madár szárnyának a középső része (ahol a karevezők vannak) képezik a hordfelületet - mint a repülőgép szárnya -, a szárny vége (ahol a kézevezők vannak) pedig olyan, mint a repülőgépnél a légcsavar. Az alkar hossztengelye mentén való elfordulását a könyökízület és a kéztőízület teszi lehetővé. Ilyenkor az alkar a vízszintessel 45^o-os szöget zár be. Ezért a borintóizom és a felületes ujjhajlító izom felel.

2. ábra. A madár tollazatának szerkezete. a) a galamb evezôtolla, b) a tollcséve hossz- és harántmetszete, c) az ágak rögzítése a sugarak által; 1. cséve, 2. szár, 3. zászló, 4. alsó köldök, 5. felsô köldök, 6. ágak, 7. sugarak, 8. proxamális sugarak, 9. kéregállomány, 10. velôállomány

Emeléskor a kézevezők becsukódnak, a karevezők nyitva maradnak, és a két felületrész élei 90^o-os szöget zárnak be egymással. Ez a szárny fő mozgása, ami tulajdonképpen a könyökízület behajlítása és kinyújtása. Eközben a csontok kényszermozgást végeznek a párhuzamos sínvezetés alapján: a könyökízület behajlításával a csuklóízület is behajlik, ezáltal a felkarcsonttal párhuzamosan a kézközépcsontok és az ujjak is a testhez közelítenek (nyújtásnál ugyanez játszódik le fordítva). Ezt a hajlítást a kétfejű karizom, az orsói kéztőhajlító izom és a singoldali kéztőhajlító izom végzi, ami a szárny emelésével egy időben történik. Az emelést a kis mellizom hajtja végre. Mivel a szárny lecsapása jóval nagyobb energiát igényel az emelésnél, ezért a mellizmok 90%-át a nagy mellizom, míg 10%-át a kis mellizom adja. A kis mellizom tapadási helyéből adódóan a felkarcsontot visszacsavarja, így a felkarcsont a vízszintessel 12^o-os szöget zár be. Az alkar is fölfelé emelkedik és fölfelé is csavarodik. Ez a szögérték 6^o, ami főleg a hanyintóizomnak köszönhető.

Amikor a madár szárnya a felső holtpontra ér, kinyújtja azt, miközben ismét lecsapja. A kinyújtást a háromfejű karizom részben a hosszú orsói kéztőnyújtó izom és a közös ujjnyújtó izom hajtja végre.

Általánosnak tűnik ez a mozgásfolyamat, ám a különböző nagyságú és szárnyformájú fajok evezőrepülése között jelentős különbségek vannak. A nagy csapásszámú énekesmadarak többsége a szárny emelése közben a karevezőit is becsukja, de kivételt képeznek pl. a fecskék és a varjak. Számos madárnál két evezőszakasz közé beékelődik egy siklórepülő szakasz: ily módon repülnek hullámosan a harkályok és pintyek és egyenesen pl. a karvaly és a héja.

Számos madár képes arra, hogy akár helyben is repüljön. Ennek egyik formája a szitálás. A madár kihasználja a szemben fújó szelet, aminek a sebessége megegyezik a saját sebességével, így helyben tud repülni, és figyelni tudja az alatta levő területet. (A ragadozó madarak gyakran lesik így a zsákmányt.)

A helyben repülés másik formája, amely álló levegőben is alkalmazható, a forgószárnyú repülés. Ennek legjobb képviselői a kolibrik, de pl. a magriasztott tyúk is ezt az elvet használja, amikor a disznóól tetejére menekül. A forgószárnyú repülés közben a szárny egy fekvő nyolcast ír le, előrehúzásnál a szárny tetejére fölfelé néz, míg a szárny hátrafelé mozgatásakor a fonák oldal néz fölfelé. Így nem csoda, hogy a kolibrik elérhetik a másodpercenkénti 80-as csapásszámot, 100 km/h-s sebességet, sőt fékezés nélkül tudnak megállni és irányt változtatni.

3. ábra. Forgószárnyú repülés (felülnézet) (Stolpe, Zimmer 1939)

Ezt a tulajdonságot az ember is szerette volna gépeire átvinni, ám sok fejtörést okozott. E problémával E. Oechimchen francia aerodinamikus is foglalkozott. Köztudott, hogy a szenderek (nagyméretű éjjeli lepkék) sötétedéskor a virágok előtt szívják tele magukat nektárral. Ezért sztroboszkopikus felvételeket készített a szulákszenderek ezen mozgásformájáról.

Visszatérve a madarakhoz, a forgószárnyú repülésnél még gyorsabb forma zuhanórepülés, amely leginkább a vándor- és vadászsólymokra jellemző. A madár, miután eléri a megfelelő magasságot és zsákmányát is kiszemelte, zuhanásba kezd, és ezt még néhány erőteljes szárnycsapással fokozza, így akár 220-350 km/h-s sebességet is elérhet az áldozat megragadása előtti kb. 100 m-en.

Zuhanórepüléskor az állat szárnyait hátranyilazza, amivel csökkenti a felületi terhelést (adott felületre jutó tömeg) és így még gyorsabban haladhat. Ha ismerjük a madár sebességét, a fordulópálya sugarát, kiszámíthatjuk, hogy a föllépő repítőerő sokszorosa az állat súlyerejének, és ez nagy igénybevételnek teszi ki az állat szervezetét.

Ha a madár meg akar állni, fékező siklásba kezd, amikor a farok szétterjesztése mellett a fiókszárnyait is kiterjeszti. A leszállást végül néhány evező szárnycsapás fejezi be, amit fékező szitálásnak nevezünk. A vízimadarak pl. a sebesség csökkentésére a nyújtott lábbal a vízen való síelést is használják.

A legnagyobb energiát a felszállás emészti föl, ezért néhány madár trükköket alkalmaz. Például a gólyák és a fecskék egy magasabb helyről a mélybe ugranak, így a zuhanásból nyert sebességük már elegendő a fölszálláshoz (másként fogalmazva, a helyzeti energiájukat átalakítják mozgási energiává). Ha erre nincs lehetőség, a nekifutás is megteszi (a vízimadarak víztaposása, a gólyák néhány lépése nekirugaszkodás előtt), ez általában egybekapcsolódik az induló szitálással: a madár mintegy nekicsapja az álló levegőnek a szárnyát. A szárnya bizonyos erővel hat a levegőre, a levegő ugyanekkora, de ellentétes irányú erővel visszahat a madárszárnyra, ám állszöge miatt - ami emellett nagy - ez az erő fölbomlik egy vízszintes és egy függőleges komponensre, amelyek eredője emeli föl a madarat. (Ugyanaz az eset az áramlásba helyezett madárszárnynál: a tengeri madarak csak szétterjesztik szárnyukat és máris a levegőbe emelkednek. Ezen az elven röpül a papírsárkány és szolgál fordítva a versenyautókon a spoiler. Ez a repülésmód előrehaladásra nem alkalmas, mivel a keletkező örvények - amelyek kinetikus energiájukat a madártól veszik el - erősen lefogják az állatot. Ezért az emelkedés után átváltanak evezőszárnyú repülésbe. Ekkor viszont a madár, mind a Kutta-Zsukovszkij-féle felhajtóerőt (erről később lesz szó), mind a szemben áramló levegő mozgási energiájából származó emelőerőt felhasználja (igaz, ezt csekély mértékben).

Az evezőszárnyú repülés egyik különleges formája a víz alatti repülés. Ennek specialistái a pingvinek és az alkák. A pingvinek, mivel repülni nem tudnak, erre a mozgásformára igencsak alkalmasak: keskeny, merev szárnyukkal (ami csak csavarodni, le-föl vagy előre-hátra tud mozogni, de összecsukódni nem) és erőteljes mellizomzatukkal.

A repülési módok másik nagy csoportja a mozdulatlan szárnyú repülés. Ennek két típusa, a vitorlázó- és siklórepülés. Ahhoz, hogy a siklórepüléshez szükséges magasságot a madarak vitorlázórepüléssel elérjék, a szárazföldi madarak a termikbuborékokat (amelyek általában a keletkező kumuluszfelhők alatt alakulnak ki, ahogy a hegyek lábainál jelentkező fölszálló légáramlatok), a tengeriek pedig a szembe áramló szeleket használják ki. Erre jó példa az óriás viharmadár, amely a vízhez közel kezdi vitorlázását. Itt a légáramlatok a vízzel való súrlódás miatt veszítenek mozgási energiájukból, lassabbak lesznek, ám följebb egyre gyorsabbak, míg kb. 30 m-es magasságban sebességük egyenletessé válik. Amikor a madár eléri a kellő magasságot, siklórepülésre vált és oldalt lesiklik. Potenciális energiájukat alakítják át kinetikussá; ezt a munkát a gravitációs erő végzi. Szárazföldön a madarak a termikbuborékokban spirálisan fölfelé haladnak, mígnem az elért magasság után tovasiklanak. Érdekesség, hogy a viharos tengereken élőknél a felületi terhelés nagy (pl. a vándoralbatrosznak 1,58 g/cm²). Ez azt eredményezi, hogy a vándoralbatrosz 70 km/h-s siklás után, míg a gólya 45 km/h sebességgel történő siklással veszít ugyanannyit a magasságából. Így például, ha a két egyed élőhelyét fölcserélnénk, a madarak biztos pusztulásra lennének ítélve.

A repülés fizikai jellemzése

Már csak az maradt hátra, hogy a madarak repülését fizikai szemszögből is megnézzük. Ahhoz, hogy a madarak a levegőben tudjanak maradni, a Kutta-Zsukovszkij-féle felhajtóerőket használják föl. A szárny profiljából adódóan a szárny tetején gyorsabban áramlik a levegő, mint alatta. Így a szárny fölött nyomáscsökkenés jön létre, Bernoulli törvényének értelmében ezáltal az alsó nagyobb nyomás fölemeli. (Bernoulli törvénye ugyan többek között összenyomhatatlan folyadékokra vonatkozik, de a gázok esetében 100 m/s-ig elfogadható eredményeket kapunk.)

Ezt a jelenséget legjobban úgy szemléltethetjük, ha egy vízszintesen tartott papírlap fölött elfújunk; a papírlap vége fölfelé fog emelkedni. Ugyanerre a jelenségre egy másik kísérlet, ha egy közlekedőedény egyik szára felett elfújunk, az ebben az ágban lévő folyadékszint megemelkedik, mivel a nyugvó levegő 10⁵ Pa nyomása a kisebb nyomású hely felé nyomja a folyadékot.

Ha több mérést is végzünk, megállapíthatjuk, hogy az áramoltatott levegő sebességével egyenesen arányos a folyadékoszlop elmozdulása. A madarak leszállásuknál ki is használják ezt, amikor farkukat szétterjesztve sebességüket csökkentik, hogy alacsonyabbra ereszkedjenek. Ugyanez figyelhető meg, ha az álló levegőben evezőrepüléssel haladó madár abbahagyja az evezést. A közegellenállásból adódóan sebessége csökken, és ezzel egyenes arányban a felhajtóerő és a magassága is. Összegezve tehát, ha arra akarunk választ kapni, hogy mely erők eredője tartja a magasban a madarat, a felhajtóerőt, a homlokellenállásból származó erőt és a súlyerőt említhetjük.

A köznapi gondolkodásban általában csak azon elmélkedünk, hogyan képesek ezek a hüllőktől származtatott lények a levegőben maradni. Arra a fontos kérdésre, hogy a madarak formája miként alkalmazkodott a levegő fizikai tulajdonságaihoz, kevés figyelmet fordítunk. A madarak áramvonalasak, ez nagyon is fontos! A feji végük szétválasztja a levegőt. Ha ez síklap lenne, akkor az előtte levő levegőt maga előtt kellene tolnia. Ám az is fontos, hogy a farki végük elhegyesedő, így a síklap hátú testtel szemben ötször kisebb az ellenállásuk. Ennek az a magyarázata, hogy a síklap hátú testről örvények szakadnak le, amelyben a levegő nagy sebességgel áramlik, kinetikus energiájuk pedig a repülő állattól veszik el.

Ahhoz, hogy számszerűleg is bizonyítsuk a madarak csekély ellenállását, a következő összefüggést alkalmazzuk; a közegellenállás egyenesen arányos a közeg sűrűségével, a testnek a mozgás irányára merőleges legnagyobb keresztmetszetével, a test sebességének négyzetével, és függ egy arányossági tényezőtől, ami a test alakjára jellemző állandó.

Érdekesség, hogy számos vonuló madár, köztük pl. az énekes hattyúk miért vonulnak több ezer méteres magasságban. Erre a kérdésre a levegő sűrűsége ad választ. Földközelben a levegőre több tíz kilométeres légoszlop nehezedik, és mivel a gázok könnyen összenyomhatók, itt a levegő kétszer olyan sűrű, mint pl. 5600 m-es magasságban. Tehát a madaraknak ebben a magasságban fele akkora energiát kell fordítani a légellenállás leküzdésére.

A légellenállás kapcsán még egy fontos dologról szólnunk kell. Egy bizonyos sebességen alul a folyadékok áramlása lamináris (réteges), míg egy kritikus sebességen felül ez átvált turbulens (örvénylő) áramlásba, és ez már nem felel meg a hidrodinamika törvényeinek. Erről a kritikus sebességről ad felvilágosítást a Reynolds-féle szám, amely ha 2300-2400 alatt van, az áramlás lamináris, ha ennél nagyobb, akkor az áramlás turbulens. Az ilyenkor keletkező örvények egy csíkot alkotnak, ezt nevezzük Kármán-féle örvényútnak, amelynek energiájáról már korábban szóltam. Az örvények fékező hatását a madarak ki is használják, amikor leszállásnál, fiókszárnyaik kiterjesztésével a levegő áramlását turbulenssé változtatják.

A madarak felépítése és szinte minden életműködése a repülés szolgálatában van, azt segíti, vagy annak folytán alakult át, fejlődött ki csökevényesedett el.

Az embereknek levegőbe való emelkedése gépek által meghajtott szerkezete nélkül többek között azért lehetetlen, mert mellizomzatuk gyenge, csontjaik nehezek (levegő helyett velővel telt), légzésük rossz hatásfokú, anyagcseréjük lassú, "kevés" vörösvérsejtjük van.

Mióta megjelentek a repülőgépek, az emberi mulasztásból vagy figyelmetlenségből származó balesetek többek között azért következtek be, mert az ember idegrendszere a két lábon való járás sebességéhez van szokva. Látása is csupán 15-16 kép másodpercenként, szemben a madarak 140-160 képével (nem is beszélve egyes fajok két sárgafoltjáról, ahol a fényingert érzékelik, látásuk élességének gyors beállításáról, amelyet a szemlencse domborulatát szabályozó izmokon kívül egyéb berendezések is szabályoznak).

Mindebből arra a következtetésre juthatunk, hogy bár a repülőgépeknek nagyon sok haszna van, de az ember valódi élettere mégiscsak a szárazföld.

Forrás: Természet Világa, 132. évfolyam, 9. szám, 2001. szeptember
https://www.chemonet.hu/TermVil/
https://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/