The Biokinetics of Flying And Swimming pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Amer Inst of Aeronautics &

作者:Azuma, Akira

出品人:

页数:514

译者:

出版时间:2002-4

价格:$ 101.64

装帧:HRD

isbn号码:9781563477812

丛书系列:

图书标签:

Biokinetics
Biomechanics
Fluid Dynamics
Animal Locomotion
Flight
Swimming
Zoology
Biology
Physics
Engineering

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具体描述

Through study of locomotion of living creatures, Akira Azuma has come to the conclusion that every creature is made and moves in a manner that is best suited to its environmental conditions. Thus, one purpose of this book is to shed light on the physical relationships among habitat, form or life, and mode of movement in living creatures. The text also reviews results of theoretical and empirical research carried out by various scientists over the years. Each of the two main parts of the book, "Flying Dynamics and Swimming Dynamics", is written from the viewpoint of mechanics, specifically fluid dynamics, rather than from the viewpoint of physiology and ecology. Thus the chapters and sections are organized according to mechanical, not biological principles. However, Azuma hopes that the book will prove to be useful reference not only to engineers working and studying fluid and flight dynamics, but also for biologists using mechanical analyses to gain a better understanding of the behavior of animals and the mechanical functions of the body parts in relation to their forms and modes of locomotion.

飞翔与游泳的生物力学：深入探索运动的物理法则一、绪论：运动的本质与生物学的交汇本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角，审视生命体如何在流体介质——空气和水——中实现高效、优雅的运动。我们超越了单纯的观察，力求从流体力学、经典力学以及生物结构适应性的多学科角度，揭示飞行与游泳的内在机制。本书的目标受众是生物学家、工程师、运动科学家，以及所有对自然界中运动效率和形态优化原理感到好奇的读者。飞行与游泳，作为自然界中最引人注目的运动形式，其成功依赖于对流体阻力、升力、推力以及能量消耗的精妙平衡。不同于静止或在陆地上的运动，流体环境对运动载体提出了极端的挑战。理解这些挑战如何通过数百万年的进化得到解决，是理解生物适应性的关键。二、流体力学基础：理解流体介质在深入探讨具体的生物运动形式之前，有必要建立坚实的流体力学基础。本章将详细阐述空气动力学和水动力学的核心概念，这些概念是理解后续生物机制的基石。 1. 粘性与雷诺数 (Reynolds Number, Re)：流体的粘性在决定流动模式（层流或湍流）中起着决定性作用。雷诺数作为无量纲量，是衡量惯性力与粘性力之比的关键指标。我们将分析不同尺度生物（从微小的浮游生物到大型鸟类和海洋哺乳动物）所处的不同雷诺数区间，以及这如何影响它们所需的运动策略。例如，在极低Re下，粘性力占据主导，运动的物理学与宏观世界截然不同。 2. 压力梯度与伯努利原理：升力（飞行中）和侧向推力（游泳中）的产生，本质上是对压力差的利用。本节将严谨地介绍伯努利原理的应用及其局限性，重点放在翼型和鳍面的几何形状如何通过控制流体分离点来优化压力分布。 3. 阻力分析：无论是空气阻力还是水阻力，都是运动效率的直接敌人。我们将区分摩擦阻力（由粘性剪切引起）和压差阻力（或称形状阻力，由物体的迎风面积和分离引起）。对于高速飞行的生物，激波阻力（在超音速情况下）也会被提及。三、飞行动力学：空气中的精妙平衡飞行是生物界最复杂的运动形式之一。本部分将聚焦于鸟类、昆虫和已灭绝的翼龙如何克服重力，实现持续、受控的空中机动。 1. 升力与阻力的产生机制：详细分析翼剖面（airfoil cross-section）的设计如何产生大于重力的净升力。讨论攻角（Angle of Attack, AoA）对升阻比（Lift-to-Drag Ratio, L/D）的影响，以及失速（Stall）的临界点。 2. 扑翼运动的复杂性：昆虫和鸟类的扑动翅膀不仅仅是产生升力的平面运动。我们将引入“有效翼弦”（Effective Wing Chord）的概念，分析翅膀在“前冲行程”（Downstroke）和“回抽行程”（Upstroke）中的不对称性。尤其是在昆虫中，前缘涡流（Leading-Edge Vortex, LEV）的形成被认为是产生高升力的关键机制，我们将使用先进的粒子图像测速（PIV）数据来阐述其动态机制。 3. 推进与控制：推进力主要由翅膀的扫动和角度变化产生。讨论如何通过改变翅膀的俯仰角（Pitching）和偏航角（Yawing）来实现转向和姿态控制。对于鸟类，初级飞羽和次级飞羽在推进和升力生成中的功能分工至关重要。四、水动力学：克服水的密度与粘性水是比空气密度高出近千倍的介质，这要求游泳生物具备完全不同的结构和运动模式。本章着重分析鱼类、海洋哺乳动物（如海豚、鲸鱼）和水生爬行动物的适应性。 1. 体形阻力优化（Streamlining）：鱼雷形体（Fusiform Body Shape）是水生运动的经典范式。分析体表光滑度（鳞片结构或光滑皮肤）对摩擦阻力的影响，以及最大体宽位置对压差阻力的最小化作用。 2. 波动推进（Undulatory vs. Oscillatory）：运动的产生机制是理解水生推进的关键。波动推进（Undulatory）：如鳗鱼，通过身体的S形波浪运动产生推力。我们将使用连续体机器人学（Continuum Robotics）的模型来解构这种运动的波长、振幅和频率如何协同作用于推进效率。摆动推进（Oscillatory）：如海豚和金枪鱼，主要依赖尾鳍（Caudal Fin）的垂直摆动。分析高长径比尾鳍（High Aspect Ratio Fins）如何模拟高效的机翼剖面，以及趋流（Thunniform）运动策略如何将身体大部分保持在低阻力区域。 3. 附着物与生物鳍：讨论鳍和蹼（Flippers）的功能适应。例如，海龟和海豹的鳍状肢在前进时产生升力（如同水下机翼），而在回抽时最小化阻力。分析鳍的刚度和柔性对推进效率的复杂影响。五、能量效率与演化权衡运动的成功不仅在于能否运动，更在于能否以最低的代谢成本完成任务。 1. 代谢成本与巡航速度：引入特定动能（Specific Power Output）的概念，分析不同生物在最佳巡航速度（Minimum Cost of Transport, COT）下的能量消耗曲线。对比飞行中的爬升/巡航策略与游泳中的爆发/巡航策略之间的代谢差异。 2. 形态可塑性：考察生物如何通过行为和生理上的可塑性来应对环境变化。例如，鸟类在长距离迁徙中如何调整翼弦长度和肌肉组织，或者鱼类在不同水流速度下如何改变其身体的波动幅度。 3. 仿生学视角：总结从这些生物力学模型中提炼出的设计原则，展望未来在无人机设计（仿昆虫扑翼）、高效率水下航行器以及流体力学优化结构设计中的潜在应用。结论：本书通过对空气动力学和水动力学的严谨分析，并将其与生物体的精妙适应性相结合，构建了一个跨学科的生物运动学框架。它强调了结构、功能和环境之间的不可分割的联系，为理解生命在流体世界中取得的非凡成就提供了深刻的见解。