Bio-Mechanisms of Swimming and Flying pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Kamimura, Shinji 编

出品人:

页数:417

译者:

出版时间:

价格:$ 213.57

装帧:

isbn号码:9784431733799

丛书系列:

图书标签:

• 生物力学
• 游泳
• 飞行
• 动物运动
• 流体力学
• 生物物理学
• 运动学
• 空气动力学
• 水动力学
• 生物工程

《水陆空：运动生物物理学前沿探索》 一部深入剖析生物体在不同介质中运动效率与机制的综合性著作 本书籍深入探讨了生物体如何在水、陆地和空气这三种截然不同的物理环境中实现高效运动的生物物理学基础。不同于专注于特定运动模式（如游泳或飞行）的传统专著，本书采取了一种跨学科、广视野的视角，旨在揭示生命系统为克服流体动力学（水/空气）和摩擦阻力（陆地）而演化出的通用设计原理与精妙工程解决方案。 第一部分：流体力学优化：水域运动的普遍法则 本部分聚焦于水生生物如何精妙地驾驭水流，最小化阻力，并实现高效推进。我们摒弃了对特定物种的详尽描述，转而关注跨物种的通用流体力学原理。 第一章：阻力与湍流的生物应对策略 水体运动的首要挑战在于克服粘性阻力和压力阻力。本书详细解析了边界层理论在生物表面的应用。我们探讨了不同生物体表面的微观结构（如鱼类的皮齿、海豚的皮肤质地）如何影响局部流场，以延迟或抑制湍流的形成。重点分析了仿生学的视角，例如，哪些结构设计能够实现“超低阻力”的表面状态，以及这些状态是如何通过主动或被动的机制维持的。 第二章：推进效率的效率解耦 水下推进的效率取决于推力产生与能量消耗之间的平衡。本章深入研究了波动推进（如鳍和鞭毛的运动）与脉冲推进（如喷射流）的力学特性。我们通过数值模拟和实验流体力学的方法，对比了不同运动模式下的推进效率与功耗曲线。特别关注了推进机构（如鱼鳍）的刚度、柔韧性以及在不同游速下的动态变形如何影响动量传递。这部分内容强调了推进模式选择的环境依赖性。 第三章：浮力、稳定性和姿态控制 在三维水体中，运动不仅关乎前进，更关乎稳定和精确的深度控制。本章分析了生物体如何利用体积密度分布和流线型体型来管理自身浮力和静稳定性。详细讨论了鱼鳔、脂肪沉积等生理结构在调节比重中的作用，以及尾鳍和胸鳍在动态姿态修正中所扮演的角色，特别是当生物体需要快速改变方向或抑制侧倾时，它们是如何协调作用的。 第二部分：陆地运动：摩擦、惯性与弹性势能的利用 陆地运动的挑战在于克服重力、管理与地面的相互作用力，并有效储存和释放弹性势能。 第四章：步态动力学与地面反作用力（GRF） 本部分将陆地运动视为一系列受控的跌倒与恢复过程。我们采用了动力学模型来分析不同体型动物（从昆虫到大型哺乳动物）在行走、慢跑和奔跑时的地面反作用力（GRF）矢量。重点探讨了支撑相与摆动相之间的能量传递效率。通过对步频与步幅关系的分析，揭示了在不同速度下，生物体如何通过改变关节角度和躯干刚度来优化能量消耗。 第五章：弹性驱动与能量回收机制 陆地运动的精髓在于对弹性势能的有效回收。本章详细考察了肌腱、韧带和弹性软组织在运动中的“弹簧”作用。我们对比了不同脊椎动物（如跳跃的袋鼠与奔跑的马）中，肌腱的长度、应变范围与力的传递之间的关系。分析了生物体如何通过精妙的肌腱-肌肉组合，在不消耗大量代谢能的情况下，实现高效率的周期性运动。 第六章：特化运动的生物力学——攀爬与跳跃 本章探讨了偏离标准行走模式的特化陆地运动。攀爬运动涉及对附着力与克服重力的平衡，分析了爪、垫、吸盘等附着结构的功能力学。对于跳跃运动，我们聚焦于预加载和快速收缩如何瞬时积累和释放能量，并对比了不同动物（如青蛙与跳蚤）在比例定律下的能量放大效应。 第三部分：空气动力学基础与跨介质比较 本部分将视线投向低密度介质——空气中的运动，并进行跨介质的系统性对比。 第七章：升力、阻力与气动效率 空气运动的核心在于生成足够的升力以抵消重力，同时最小化诱导阻力和寄生阻力。本书侧重于翼型理论在自然界中的实现，分析了不同翅膀截面形状（例如，高升阻比与高机动性之间的权衡）。探讨了翼展负荷如何影响不同体型飞行器的空气动力学性能。 第八章：推进与气动控制 不同于水中的连续波动，空气推进往往涉及周期性的拍打与扭转。我们分析了拍打过程中翼面的迎角变化、扭转角（Pronation/Supination）如何主动调控推力与升力的产生。此外，还讨论了尾部、翅膀边缘的微小结构（如羽毛的间隙或翅膀的褶皱）在气流分离控制和噪音抑制中的作用。 第九章：流体介质选择的成本与收益 在总结部分，本书将水、陆和空三种环境下的运动策略进行综合对比。分析了生物体为何选择特定的运动模式：是基于密度差异、能量代谢的限制，还是生存环境的约束。重点在于理解，运动效率（单位距离的能量消耗）是如何在速度、介质特性与生物体尺寸这三个核心变量之间寻求最佳的进化平衡点。 目标读者： 生物力学、生物工程、仿生学、动物运动生理学及生物物理学领域的学者、研究人员和高阶学生。 本书的独特价值： 通过构建跨越水、陆、空三个环境的通用力学框架，本书提供了一个前所未有的视角，揭示生命运动设计的深层统一性与适应性。它着重于机制、效率和跨尺度效应，而非物种特异性描述，为理解自然界中的运动工程提供了坚实的理论基础。

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