Передвижение животных в поверхностном слое воды — это наука о передвижении мелких животных , которые живут в поверхностном слое воды и удерживаются на плаву , используя поверхностное натяжение .
Существует два типа передвижения животных по воде, определяемые соотношением веса животного к поверхностному натяжению воды : те, чей вес поддерживается поверхностным натяжением в состоянии покоя, и поэтому могут легко оставаться на поверхности воды без особых усилий, и те, чей вес не поддерживается поверхностным натяжением воды в состоянии покоя, и поэтому должны прилагать дополнительные движения в направлении, параллельном поверхности воды, чтобы оставаться над ней. Такое существо, как ящерица-василиск , часто называемая «ящерицей Иисуса», имеет вес, который больше, чем может выдержать поверхностное натяжение, и широко известно тем, что бегает по поверхности воды. Другой пример, западная поганка , выполняет брачный ритуал, который включает бег по поверхности воды. [1]
Животные, живущие на поверхности, такие как водомерка, обычно имеют гидрофобные ноги, покрытые мелкими волосками , которые не дают ногам прорываться сквозь поверхность и намокать. Другое насекомое, которое, как известно, ходит по поверхности воды, — это муравей Polyrhachis sokolova . Карликовый геккон ( Coleodactylus amazonicus ) из-за своего небольшого размера и гидрофобной кожи также способен ходить по поверхности воды. [2]
По данным биофизика Дэвида Л. Ху , существует не менее 342 видов водомерок. [3] По мере увеличения размеров водомерок их ноги становятся пропорционально длиннее, при этом длина Gigantometra gigas составляет более 20 см, что требует силы поверхностного натяжения около 40 миллиньютонов .
Водомерки создают тягу, сбрасывая вихри в воде: во время рабочего хода создается ряд U-образных вихревых нитей. Два свободных конца «U» прикреплены к поверхности воды. Эти вихри передают воде достаточный (обратный) импульс, чтобы продвигать животное вперед (обратите внимание, что часть импульса передается капиллярными волнами ; см. парадокс Денни для более подробного обсуждения).
Чтобы перейти с поверхности воды на сушу, насекомое, ходящее по воде, должно бороться с наклоном мениска у кромки воды. Многие такие насекомые не способны подняться по этому мениску, используя свой обычный механизм движения.
Дэвид Ху и его коллега Джон В. М. Буш показали, что такие насекомые взбираются по мениску, принимая фиксированное положение тела. Это деформирует поверхность воды и создает капиллярные силы , которые продвигают насекомое вверх по склону, не двигая его конечностями.
Ху и Буш приходят к выводу, что лазание по мениску является необычным средством движения, поскольку насекомое движется в квазистатической конфигурации, не двигая своими конечностями. Биолокомоция обычно характеризуется передачей энергии мышечной деформации в кинетическую и гравитационную потенциальную энергию существа, а также в кинетическую энергию удерживающей жидкости. Напротив, лазание по мениску имеет другой энергетический путь: деформируя свободную поверхность, насекомое преобразует мышечную деформацию в поверхностную энергию, которая обеспечивает его подъем. [4]
Многие насекомые, включая некоторых наземных насекомых, могут выделять поверхностно-активное вещество и двигаться, используя эффект Марангони . Ху и Буш сообщают, что Microvelia может достигать пиковой скорости 17 см/с, что вдвое превышает ее пиковую скорость ходьбы, используя эффект Марангони.
Движение Марангони смачивающим членистоногим в точности аналогично движению мыльной лодки, но ситуация для насекомых, таких как водомерки, более сложная. Ху и Буш утверждают, что «для несмачивающих членистоногих переход химической энергии в кинетическую более тонок, поскольку напряжение Марангони должно передаваться через сложный поверхностный слой существа».
Велелла , парусник по ветру, является книдарием , не имеющим других средств движения, кроме парусного спорта . Небольшой жесткий парус выступает в воздух и ловит ветер. Паруса Велеллы всегда выровнены по направлению ветра, где парус может действовать как аэродинамический профиль , так что животные стремятся плыть по ветру под небольшим углом к ветру. [5]