物理学者はペンギンが糞を投げる範囲を計算しました

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物理学者はペンギンが糞を投げる範囲を計算しました
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Anonim
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日本の科学者はペンギンの糞の飛行経路を計算し、糞を発射するのに必要な直腸圧を精緻化しました。計算によると、1.34メートルよりもペンギンに近づかない方がよいことがわかっています。この飛行距離は、巣が2メートルの石の上にある場合に達成されます。科学者たちは、理論力学のコースを教えるために、この問題の解決策を提案しています。記事のプレプリントはarXiv.orgWebサイトで公開されています。

ペンギンは長い間卵を孵化します:いくつかの種はこれに最大100日を費やします。暑い場所から起き上がって巣を比較的きれいに保つために、彼らは自分たちの高さに匹敵する約40センチメートルの短い距離で糞便を撃ちます。さらに、ペンギンは糞便を使ってコロニーの領土を整えます。これが雪を溶かす方法です。

2003年には、研究者はすでに蓄積された観察結果を使用して直腸圧を評価していました。彼らの推定によれば、それは10から60キロパスカルの範囲であり、糞便の粘度とペンギンの総排出腔のサイズに依存します。しかし、彼らの研究では、物理学者はハーゲン・ポアズイユの流れモデルを空中の移動にのみ使用し、軌道の水平成分のみを介して圧力を推定しました。

高知県立大学の物理学者田嶋宏行と桂浜水族館の研究者である藤澤文也は、巣の高さに相当する高い台座からのペンギンの糞の最大飛行距離を計算しました。彼らはまた、重力の場で胃に沿った糞便の動きを考慮に入れて、直腸圧の値を明らかにしました。新しいモデルでは、ペンギンの胃腸管は、横方向の腸開口部を備えた円柱として表示されます。

最初の概算として、科学者は空気抵抗を無視して最大飛行距離の上限を推定しました。この場合、地平線に対してある角度で発射された発射体の飛行方程式が使用されます。桂浜水族館では、ペンギンの囲いの中の石の平均高さは1.1メートルです。この高さで、糞便の最大飛行距離は、水平線に対して21度の角度で1.03メートルになります。また、石の最大高さは2メートルなので、1.34メートルの距離でペンギンに近づかない方がよいでしょう。

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高度1、1メートルでの角度から地平線までの飛行距離の依存性

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最大飛行距離と発射高度

次に、記事の著者は、粘性空気抵抗を考慮に入れることにしました。この場合、着陸までの時間と飛行距離は、ランベルトのW関数のメインブランチで表されます。当然のことながら、最大飛行距離は空気抵抗がない場合であることが判明しました。

糞便の軌道を評価した後、研究者たちはベルヌーイの式を使用して直腸圧を表現しました。重力の仕事を考慮に入れると、直腸圧は以前の推定値と比較して、同じパラメーターで4.6キロパスカルから2.3キロパスカルに減少しました。糞便が腸を通過する時間は0.45ミリ秒と推定されました。この間、糞便の流れは追加の圧力を受けますが、これは前の作業では考慮されていませんでした。最終的な最大直腸圧は、同じサイズの直腸開口部で1.4倍高いことが判明しました。

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ペンギンの胃腸管の新しいモデル-側面が開いた円筒形の容器

将来的には、すべてのペンギンの排泄経路が総排出腔で交差するため、記事の著者は、糞便と尿の混合物の不均一な排出のより複雑なケース、および行動のより複雑な流体力学的モデルを検討する予定です胃、腸および空気の糞便の。記事の最後に、著者はペンギンと同じ直腸圧で人間の糞便の影響を受ける領域の推定値を示しています-そのような人に3メートル以上近づかない方が良いです。このような作業は、将来の飼育係が厄介な状況を回避するのに役立つだけでなく、理論力学の過程で特別なタスクとして使用することもできます。

以前、科学者は排便の一般的な動水力学理論を開発し、43種の哺乳類についてこのプロセスを説明しました。この研究の驚くべき発見の1つは、非常に異なるサイズの種でさえ、腸を空にするのにほぼ同じ時間がかかるということです。

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