در قالب ورد 79 صفحه ای
سرعت و شتاب شاهین های ایده آل بهنگام شیرجه زدن و اوج گرفتن.
خلاصه:
برخی از شاهین ها همانند بازها (Falco Peregrinus) در هوا و با حداکثر سرعت شیرجه به شکار خود حمله میکنند. و تصور میشود که آنها سریعترین حیوانات هستند. حداکثر سرعت آنها بهنگام شیرجه در حدود 157 متر بر ثانیه اندازه گیری شده است، البته سرعت به این بالایی به دقت اندازه گیری نشده است. در این بخش تاثیر نیروهای آترودینامیکی و جاذبه ای (گرانشی) را برروی شاهینهای ایدهآل مورد بررسی قرار داده و برای محاسبه سرعت و شتاب حین شیرجه زدن از مدلهای ریاضی استفاده می کنیم. شاهین ایدهآل (مدل) دارای جرمی معادل 5/0 تا 2 کیلوگرم هستند از نظر خصوصیات اندام شناسی در آنرودینامیکی مشابه شاهین های واقعی هستند.
حداکثر سرعت شیرجه زدن بستگی به وزن پرنده و زاویه و مدت شیرجه دارد. در زمان مناسب شاهینهای ایدهآل می توانند در یک شیرجه قائم به حداکثر سرعتی بین 89 تا 117 متر برثانیه برسند، در صورتیکه ضریب مقاومت هوا را 18/0 فرض کنیم پرندههای سنگینتر می توانند به سرعتهای بالاتری نیز برسند. این مقادیر در پروازهای با سرعت کم اندازهگیری شده است در پروازی با سرعت بالاتر می توان این مقدار را تا 07/0 کاهش داد. در اینحالت حداکثر سرعت بین 138 تا 174 متر بر ثانیه خواهد بود. در یک شاهین ایدهآل به وزن یک کیلوگرم که با زاویه بین 15 تا 90 درجه شیرجه میزند بعد از حدود 1200 متر به 95% حداکثر سرعت خود میرسد. مقدار زمان سپری شده و افت ارتفاع برای رسیدن به 95% حداکثر سرعت در رنجی بین 38 ثانیه و 322 متر در زاویه 15 درجه تا 16 ثانیه و 1140 متر در زاویه 90 درجه قرار دارد.
بهنگام اوج گرفتن مجدد پس از یک شیرجه قائم و در حداکثر سرعت، یک شاهین ایدهآل با وزن یک کیلوگرم با تغییر فاصله بالهای خود می تواند نیروی بالا برندهای تا 18 برابر وزن خود ایجاد کند در حالیکه نیروی بالا برنده در هنگامی که بال، کاملاً باز است 7/1 وزن بدن می باشد.
شاهین هنگام اوج گرفتن پس از یک شیرجه 60 متر از ارتفاع خود را از دست میدهند با کاهش زاویه شیرجه مقدار افت و افزایش ارتفاع نیز کاهش پیدا می کنند. یک شاهین یک کیلوگرمی می تواند با افزایش مقاومت هوا و زاویه بالهای خود سرعت شیرجه زدن را کاهش دهد. هم نیروی بالابرنده و هم نیروی مقاومت هوا را میتوان با زاویه حمله افزایش داد ولی شاهین می تواند نیروی بالا برنده را با نگه داشتن بالهای خود به شکل یک گودال (یا فنجان) افزایش دهد بنحوی که بخشی از این نیرو از بغل وارد شود. فشار هوای افزایش یافته توسط بالها میتواند حداکثر نیروی بالا برنده را ایجاد کند. این نیرو آنقدر بزرگ است که شاهین می تواند در یک شیرجه با زاویه 45 درجه سرعت 41 متر بر ثانیه (نصف حداکثر سرعت) با شتابی معادل 5/1- برابر شتاب جاذبه از سرعت خود کم کند.
شاهینهای واقعی میتوانند با تغییر در بالها و انتخاب طول شیرجه سرعت خودشان را کنترل کنند. با استفاده از شیرجه شاهینهای ایدهآل در سرعتهای بالا می توان به مزایا و معایب آن در شاهینهای واقعی پی برد همچنین می توان نحوه حفظ این سرعتها را نیز بررسی نمود.
مقدمه:
بسیاری از پرندگان با بالهای باز و در یک مسیر مستقیم و با سرعت شیرجه بالا به شکار خود حمله میکنند. این رفتار عمدتاً ویژگی بازها میباشد (Falco Peregrinus) شاهینها می توانند در هوا به سایر پرندگان بچسبند، معمولاً این عمل بعد از یک شیرجه شگفت انگیز که صدها متر بالاتر از شکار شروع می شود، انجام میگیرد. قبل از شیرجه یک باز عموماً با بال زدن سرعت خود را افزایش می دهد، سپس با جمع کردن بالهای خود شروع به شیرجه زدن کرده و با تغییر مسیر خود، به مسیری که با افق زاویهای 15 تا 90 درجه میسازد قرار میگیرد. پرنده در طی شیرجه با صرف انرژی پتانسیل به سرعت خود اضافه می کند. و ممکن است به حداکثر سرعتی که یک جانور می تواند برسد، دلت پیدا کند، این سرعت به میزان تا 157 متر بر ثانیه برآورد شده است. حتی اگر این برآورد صحیح هم باشد دقت آن شناخته شده نیست زیرا اندازهگیری سرعت شیرجه یک شاهین مشکل است. برای این کار به وسایل اندازهگیری پیچیده نیاز است.
زمان شیرجه کوتاه و محل و زمان شیرجه غیر قابل پیش بینی بوده و در فاصله دوری از مشاهده گر قرار دارد. Alerstam (1978) برای غلبه بر این مشکلات از رادار استفاده کرد و به این طریق سرعت شیرجه یک باز را 39 متر بر ثانیه اندازهگیری کرد. Clark (1995) سرعتهای شیرجهای بیشتر از 41 متر بر ثانیه را اندازهگیری کرد.
حداکثر سرعتی که در یک شیرجه بدست میآید به ویژگیهای آترودینامیکی پرنده، زاویه شیرجه نیروی جاذبه و زمان و فضای در دسترس برای شیرجه بستگی دارد. و بررسی هرکدام از این پارامترها می تواند محدودیتهایی که یک شاهین با آنها مواجه است را مشخص کند. برای پروازهای بدون موتور چندین مدل ریاضی وجود دارد و آلراستام (1987) یکی از آنها را برای شیرجه اصلاح کرد. با اینحال هیچکدام از این مدلها برای اندازه گیری سرعت حین شیرجه یا اوج گرفتن طراحی نشدهاند. این مقاله مدل ریاضی را برای شیرجه «شاهین های ایدهآلی» که به صورت ریاضی تعریف شدهاند، ارائه میکند.
این نام بعد از خصوصیات مفید شیمیایی فیزیکی ideal gas مطرح شد. شاهینهای ایدهآل دارای وزنهای مختلف هستند و خصوصیات مورنولوژیکی و آئرودینامیکی آنها مشابه نمونه ای واقعی هستند و به سوالاتی که در ادامه مطرح می شوند پاسخ میدهند. بهنگام شیرجه آنها به چه سرعتی دست پیدا میکنند؟ برای سرعت گرفتن آنها به چه زمان و ارتفاعی نیاز دارند؟ زاویه شیرجه چه تاثیری بر سرعت دارد؟ آنها برای اوج گرفتن پس از شیرجه چه میزان نیروی آمیرودینامیکی تولید میکنند؟ بهنگام اوج گرفتن آنها چه ارتفاعی را از دست میدهند؟ به چه میزان آنها میتوانند بهنگام شیرجه سرعتشان را کنترل کنند؟
پاسخ به این سوالات چارچوبی را برای بررسی عملکرد شیرجه شاهینهای طبیعی در طبیعت بدست میدهند ولی آنها لزوماً نمی توانند کلیه موارد مرتبط با شاهینهای طبیعی را توضیح دهند.نیروهای آئرودینامیکی در مورد شاهینهای ایدهآل بر مبنای اندازه گیری های انجام شده در سرعتهایی کمتر از 5/1 شاهینهای واقعی بدست آمده اند و شاهینهای ایدهآل ممکن است دارای اشکال باشند که به هیچ نحو نمیشود آن را در مورد شاهینهای واقعی اندازهگیری کرد. شاهینهای ایدهآل دارای این امتیاز فوقالعاده هستند که از طریق آن ها می توان روابط ریاضی را بیان نمود که آنها را میتوان ارزیابی، آزمایش و اصلاح نمود…