iPon Cikkek

A lövőhal és a fizika

Dátum | 2013. 12. 08.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A lövőhalfélék az élővilág legérdekesebb élőlényei közé tartoznak. A víz felszíne alatt várakoznak, amíg egy rovar leszáll a felettük található növényre, majd egy hihetetlenül pontos lövéssel vizet fecskendeznek rá. A rovar belepottyan a vízbe, a hal pedig bekebelezi azt. Az lövőhalak vadászati módszere egészen valószerűtlennek tűnik, a természet azon jelenségeinek egyike, amelyről el sem hinnénk, hogy létezhet, amennyiben nem látnánk a saját szemünkkel. A lövőhalfélék családjába hét édesvízi faj tartozik, amelyek mindegyike az előzőekben ismertetett módon ejti el zsákmányát. Ami talán még meglepőbb az egészben, a stratégia meglepően hatásos: a halak rendkívül pontosan céloznak, és egy tizedmásodperccel a sikeres találat után máris azon a helyen várakoznak, ahol az áldozat röviddel később a vízbe csobban. Ahogy mélyebben belegondolunk a problémába kiderül, a sikeres vadászathoz az állatoknak még a vártnál is jóval több különféle faktorral kell tisztában lenniük.
Először is, amikor a hal aktiválja „beépített vízipisztolyát” szemei a víz alatt vannak, vagyis a célzás során a fény felszínen való törését is figyelembe kell vennie, és ennek megfelelően korrigálnia lövését. A korrekció mértéke ráadásul egyáltalán nem elhanyagolható: ha a kiszemelt rovar 45 fokos szögben látszik, 25 fokkal kell módosítani a lövés szögét, hogy ténylegesen eltalálja a célpontot, vagyis gyakorlatilag teljesen máshová kell célozni, mint ahol a leendő zsákmány látszik. Ez azonban nem minden: a lövés a Föld gravitációjának köszönhetően nem egyenes pályát ír le, hanem enyhén ívelten halad, amit a célzásnál szintén számításba kell vennie a halnak. A kívánt korrekció mértéke ebben az esetben sem apró, és ahogy az alábbi ábrán látható, részben a rovar és a hal pozíciója közti magasság függvényében változik. Amennyiben a rovar 10 centiméterrel a vadász fölött helyezkedik el 0−2 centiméter közti lövedéksüllyedéssel kell számolni, vagyis ennyivel alacsonyabban fog célba érni a vízsugár ahhoz képest, mintha tökéletesen egyenesen repülne. Ha a magasságkülönbség 30 centiméter, a süllyedés 2−15 centiméter közt alakul, vagyis a lövőhalnak minden esetben egy komplikált fizikai feladványt kell megoldania, és ennek alapján megválasztani a sikert legnagyobb eséllyel biztosító lövési szöget és sebességet.

A meglepetések sorának azonban korántsincs vége, ami a lövőhalak vadászati technikáját illeti. Alberto Vailati, a Milánói Egyetem folyadékdinamika professzora behatóan tanulmányozta, hogy mi történik a kispriccelt vízzel a célpont eléréséig. Az alább látható nagysebességű kamerával készült felvételt megvizsgálva kiderül néhány nagyon érdekfeszítő dolog. A lövés 4 századmásodperc alatt ér célba, vagyis tizedannyi idő alatt, mint egy gyors pislantás. Még izgalmasabb azonban a konkrét sebességadatok vizsgálata: míg a vízsugár elejének sebessége az út első felében 2,88 m/s-nak adódik, az út második felében már 3,27 m/s-ot lehet mérni. A vízsugár tehát gyorsul: ahogy egyre magasabbra ér, egyre nagyobb sebességet vesz fel. Ez pedig példátlan jelenség, ha bármilyen más lövedékkel hasonlítjuk össze, legyen az egy felfelé elhajított kosárlabda vagy egy puskagolyó. Ezek ugyanis a gravitáció, illetve a közegellenállás hatására egytől egyig lassulni fognak.
A lövőhal vízsugara azonban az általunk ismert fizikának látszólag fittyet hányva gyorsuló mozgást végez, ahogy azt Alberto Vailati, Luca Zinnato és Roberto Cerbino nemrég megjelent tanulmányában igazolta. A kutatók rengeteg példány különféle helyzetekben szabadjára eresztett vízlövedékét vizsgálták meg, és sikerült kimutatniuk, hogy a vízsugár csaknem minden esetben nagyobb sebességgel csapódik a célpontba, mint amekkorával elhagyta a hal száját. A szakértők arra is rájöttek, hogyan teszi ezt a vadász: különféle folyadékdinamikai trükköket vet be annak érdekében, hogy minél nagyobb erővel találja el zsákmányát. A dolog a következőképpen működik: Amikor a lövőhal kispricceli szájából a vizet, ezt úgy teszi, hogy a sugár hátsó része gyorsabban mozog, mint az eleje. Képzeljük el, hogy sorban állunk, és a mögöttünk állók hirtelen előre indulnak. Ettől mindenki kisebb helyre tömörül össze, ez viszont egy ponton túl tarthatatlan, így a sor elkezd kiszélesedni. Ugyanez történik a vízsugárral is: ahogy a később kibocsátott vízcseppek utolérik a frontot, az egyre laposabbá, szélesebbé válik.

Ez persze nem igazán kedvező a lövőhal szempontjából, hiszen a szétterülő lövedék kisebb erővel találná el a célpontot. Vadászunkat azonban egy másik fizikai jelenség segíti sikerének elérésében, mégpedig az úgynevezett Plateau-Raleigh-instabilitás. Magunk is megfigyelhetjük, hogy minden vízsugárban aprócska szabálytalanságok jelentkeznek: kisebb-nagyobb kiemelkedések bukkannak fel, helyenként vastagabb, máshol vékonyabb a sugár. A felületi feszültség hatására ezek a szabálytalanságok egyre fokozódnak, minél hosszabb utat tesz meg a sugár, hiszen a vízmolekulák egyre közelebb törekednek egymáshoz. Az elvékonyodások végül odáig fajulnak, hogy a sugár folytonossága megszakad, és az cseppekre szakad szét.

Önmagában egyik fent leírt jelenség sem szolgálná a lövőhal érdekeit, együttesen azonban hatásos fegyvert eredményeznek. A vízsugár folyadékcseppekre szakadna szét a felületi feszültség eredményeként, ugyanakkor a hátul haladó cseppek gyorsabbak, az elől levőknél, és utolérik ezeket, egy masszív, hathatós cseppé forrva össze, amely jóval nagyobb erővel, és rövidebb idő alatt teríti le a prédát, mint a vízsugár frontja eredetileg tette volna, hiszen a sugár csaknem teljes energiája az elől haladó cseppekben koncentrálódik. Mindez nem egyszerűen egy látványos trükk, hanem a hal vadászati stratégiájának kulcsfontosságú eleme: a hal száját elhagyó vízsugár eredeti állapotában ugyanis nem lenne elég erős egy rovar megbénításához. Ezzel a koncentrált lövedékkel ugyanakkor a lövőhal akkora ütést képes célba juttatni, amely több mint ötször erősebb annál, mint amire bármely más gerinces izommunkából képes lenne. A lövőhal tehát az állatvilág aprócska fizikaprofesszoraként egyaránt otthonosan mozog a mechanika, a tömegvonzás, az optika és a folyadékdinamika világában, látszólag komolyabb erőfeszítések nélkül oldva meg olyan bonyolult problémákat, amelyek az emberi fizikusoknak álmatlan éjszakákat okoznak. Tudását kamatoztatva pedig látszólag emberfeletti, pontosabban halfeletti képességekre és erőre tett szert: aprócska vízipisztolyát precíziós rakétává alakította, amely ellen a rovarok nagy részének semmi esélye, ráadásul sosem kell attól félnie, hogy kifogy a munícióból.

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

10. Helbika20
2013.12.08. 12:53
Eddig talán ez volt a legérdekesebb cikkek egyike, amit valaha is olvastam: részletes, nem mindent magyaráz meg, fennhagyva az esélyt az utánaérdeklődésnek és középiskolás fejjel is érthető. Köszönöm!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
9. lorddiablo
2013.12.08. 12:53
Egy aprócska észrevétel: a fluid dynamics magyarul áramlástannak felel meg.

A folyadéksugár valóban gyorsul, de nem ok nélkül. A halnak egyre nagyobb sebességgel kell a vízsugarat köpnie, hogy az említett torlódás jelensége lére jöjjön. Tehát a később elinduló folyadékrészecskék nagyobb sebességgel kell, hogy mozogjanak, hogy egyáltalán elérjék a sugár elejét. Ezzel azt éri el a hal, hogy egy nagy folyadékcseppet képez elől. Így az első csepp kinetikus energiája megnő: a csepp tömegének növelésén keresztül. Így éri el azt, hogy a becsapódáskor igen tekintélyes impulzusa legyen a lövedékének. A felületi feszültség hatása és az apró zavarások csak a cseppképzésben segítenek, az ezekből származó erőhatás elhanyagolható teljesen a mozgás szempontjából.

Egyébként ez a folyamatos gyorsítás már rég alkalmazásra került napjainkban is: a rakéták így működnek. A közegellenállásból származó erőnél nagyobbnak kell lennie a tolóerőnek, így kapunk gyorsulást. Ami a rakétában a kiáramló közeg által biztosított tolóerő, az ebben az esetben maga a hal, az állít biztosítja a ezt a gyorsítást a víz folyamatosan növekvő sebességgel való kipréselésével.

Egyébként félreértés ne essék: a folyadék mozgási energiája csak a folyamatosan gyorsított sugár miatt növekszik, utána viszont csökken a közegellenállás hatásának megfelelően.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
8. Lajti
2013.12.09. 14:23
Lord, szerintem az általad leírtak elég egyértelműek a fenti cikkből. Jó amit írtál, csak nekem jelen esetben feleslegesnek tűnik.
Helbikával pedig egyetértek, szerintem is az egyik legjobb tudományos cikk itt az iponon, köszönjük!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
7. nextman
2013.12.09. 15:00
Ezt hogy lehet megmagyarazni az evolucio elmeleten belul?

Ugy ertem, ez egy olyan taplalekszerzesi forma, amit mar elso alkalommal 100%-osan tokeletesen kell csinalni, hogy mukodjon. Nincs benne hely a hibanak, a folyamatos fejlodesnek, mert a legkisebb hiba eredmenytelensegre vezet, vagyis az illeto hal elveszitene minden elonyet a tobbiekkel szemben.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
6. Avisto nextm...
2013.12.09. 16:21
Például úgy hogy nem eleve így jelent meg hogy csak és kizárólag így szerez táplálékot. Más halak se halnak éhen, valószínűleg ennél is eleinte nem lehetett kizárólagos ez a módja az élelemszerzésnek.
Engem az a része érdekelne inkább hogy hogy a rossebbe jutott eszébe egy halfajnak hogy elkezdjen a vízből kifelé köpködni
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2013.12.09. 19:48
Ne kezdjük!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. fagy
2013.12.10. 17:53
Avisto - erre csak a tyúk/tojás probléma megoldása után fogsz választ kapni!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. kobor42
2013.12.11. 11:03
Nem annyira tetszik hogy a célzás lehetetlen és megtanulhatatlan feladatnak van beállítva.
A mi szemszögünkből nézve a halnak 25%-os fényelhajlást kell kompenzálnia, de az ő szemszögéből a fényelhajlás nem számít. Neki csak az fontos, hogy jobbra-balra vagy fölé-alá ment mellé.
Ami számít, hogy 10 centivel fentebbről mások a fénytörések, mint 10 centivel lentebbről, de ha a saját mélységén nem változtat, akkor ez a probléma nem jelentkezik.

Lő egyet, és megnézi, fölé vagy alá ment a rovarnak. Lő még egyet és újra megnézi. 1000 lövés után halálpontos lesz és a fényelhajlás automatikusan beleszámítódik a tanulás során.

Lehet, ha a hal meg tudná nézni kívülről is, a lövésének az eredményét, akkor elcsodálkozna, hogy a valóságban mennyivel magasabbra repül, mint amennyire ő gondolná, hogy menni fog, de ez a nézőpont mind a vadászat, mind a hal szempontjából lényegtelen.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. spdrfx
2013.12.11. 17:01
tyúk/tojás problémára van megoldas, a tojas volt elobb.

A dinok tojassal szaporodtak
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. peti198706...
2013.12.12. 07:57
spdrfx nesze.. -persze hogy a hüllők s csak utána a madarak ez az evulucio fejlodesi menete. Egyfajta hanyagság a szaporodásban. Archeopteryx Innentől kezdve volt a tyúk és a tojás
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!