歴史を通じてさまざまな動物グループが進化してきたのと同じように、飛行能力もこれらの動物グループのそれぞれで独立して進化してきました。
この研究を担当した生物学者は、動物が羽ばたく頻度にはパターンがあると予想していました。課題は、すべての種に共通の方法でこのプロセスを説明する数式を見つけることでした。
デンマークのロスキレ大学の研究者らは、鳥、昆虫、コウモリの羽ばたきの頻度を説明する普遍的な方程式を考案した。
なぜ羽ばたきの周波数を定義するのでしょうか?
空を飛ぶ動物は、空中に留まることで飛行に必要なエネルギーを最小限に抑えようとします。これを行うには、羽ばたきの動きで理想的な周波数を見つける必要があります。
この頻度は動物の質量と翼の面積によって異なります。このように、各動物の重量と翼の表面積は、この普遍的な公式の 2 つの原則です。
その著者らによると、空を飛んだり泳いだりする動物の「羽ばたき」の頻度を説明できる、これほど単純で物理的に意味のある公式はないとのこと。
公式とは何ですか?なぜそんなに簡単なのでしょうか?
この式の本質は基本的な物理原理に由来し、次のように定義されます。羽ばたきの周波数 (f) は、動物の体重 (m) の平方根を翼またはヒレの面積 (A) で割ったものに比例します。
さらに、この数式に若干の調整を加えれば、サイズ、進化の歴史、翼や遊泳構造の違いにもかかわらず、クジラやペンギンなどの遊泳動物にも当てはまります。
この公式の完全版には、重力場の強さ (g)、翼の形状、動き、その他の特性を表す C と呼ばれる無次元の値、および空気密度 (ρ air) も含まれています。
研究者らは、すべての飛行動物がほぼ同じ係数でこの比例関係に従うことを発見しました。そして、泳ぐ動物も、浮力と空気密度と水密度の差を補正するときに、同じ普遍的な関係に従います。
しかし、どうやってそれを証明できるのでしょうか？
彼らは、ハチ、蛾、トンボ、カブトムシ、蚊、コウモリ、さまざまなサイズの鳥の羽ばたき周波数に関する公開データを使用して、飛行する動物における方程式の正確さを検証することができました。
彼らは、泳ぐ動物に必要なすべての情報を備えた研究を見つけられませんでしたが、ペンギンと数種のクジラのヒレの動きの頻度についての比較と推定のためのデータを収集しました。そして彼らは、この公式が正の浮力を持つ潜水動物にも有効であることを実証しました。潜水動物は、水中に潜り続けるために継続的に水を上方に移動させなければなりません。浮き袋で浮力を調整する魚を排除します。
さらに、これまで知られている中で最大の飛行動物である翼竜は、 10平方メートルの翼を0.7ヘルツ、つまり1秒間に何回かの周波数で動かすことができると計算しました。
大型のクジラ目から小型の飛行昆虫まで、合計 414 匹の動物の結果は、羽ばたきやヒレの羽ばたきの頻度がほぼ 10,000 倍異なります。ただし、これらの周波数は、それらが表すグラフの同じ線上にあります。
この式は飛べない種や遊泳する種にも適用できますか?
この公式は非飛行動物や水泳動物には提案されていませんが、彼らはそれが人間種にどのように適用されるかの例も検討しています。
したがって、方程式はこれを排除するものではありませんが、腕を動かしてみると、これが非常に難しいことがわかり、人間は空を飛ぶように作られていないと結論付けることができます。
研究者らによると、非常に小さな動物の場合、方程式は流体力学によって制限されるとのことです。方程式は同じですが、中型の昆虫より小さい動物の平方根はありません。これは、将来の飛行ナノロボット、つまりほぼ原子サイズのナノスケールロボットの開発に影響を与える可能性がある。
ニュース参照:
ジェンセン、JH。ダイア、J.C. Hecksher, T. ユニバーサル翼およびフィンビート周波数スケーリング。 PLoS ONE 、19(6)、2024。
