معلومة

ميكانيكا سحب صقر الشاهين

ميكانيكا سحب صقر الشاهين


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هناك الكثير من المعلومات حول مدى سرعة غوص Peregrine Falcon ، ولكن بصرف النظر عن وجود رئة وعينين متخصصين ، إلخ ... للبقاء على قيد الحياة.

ما هي الميكانيكا التي تستخدمها للانسحاب من مثل هذا الغوص ، تحديدًا بعد أن تصطدم بفريستها.

رأيي هو أنه يستخدم زخمه للعودة إلى شكل U ، وفهم أنه من خلال تغيير زاوية الهجوم ، فإن هذا يولد السحب والرفع الضروريين للانسحاب من الغوص بأمان.

سؤالي هو ما مدى فعالية هذا وهل يمكن لطائر أكبر أن يتخلى عن هذا على افتراض أنه يحتوي على جميع الآليات المذكورة؟


يظهر ريش الصقر أثناء الغوص

على غرار الأجنحة والزعانف ذات اللوحات ذاتية التكيف ، قد يظهر الريش الموجود على ريش صقر الشاهين أثناء الغوص بسرعة عالية ، وفقًا لدراسة نشرت في بلوس واحد في 5 فبراير 2014 بواسطة Benjamin Ponitz من معهد الميكانيكا وديناميكيات السوائل في ألمانيا وزملاؤه.

تعد صقور الشاهين واحدة من أسرع الطيور في العالم وقد تصل سرعتها إلى 200 ميل في الساعة عند الغوص. يريد العلماء الذين يدرسون شكل الجسم ومحيط الجناح للطائر أن يفهموا بشكل أفضل كيف يصلون إلى سرعات الغوص العالية هذه مع الحفاظ على القدرة على المناورة. قام الباحثون بتدريب صقور الشاهين على الغوص أمام سد بطول 200 قدم ، والتقط العلماء 35 غطسًا باستخدام نظام كاميرا ستيريو عالي السرعة وكاميرا عالية الدقة. سمحت الصور للباحثين بإعادة بناء مسار الرحلة وشكل جسم الصقر خلال مراحل طيران معينة ، وبناء نموذج بالحجم الطبيعي للصقور. ثم قاموا بتحليل الديناميكا الهوائية للطائر النموذجي في نفق هوائي.

يتغير شكل جسم الصقر مع زيادة السرعة. أثناء الغوص 200 قدم ، وصلت الطيور إلى 50 ميلاً في الساعة وأظهر شكل الجسم تكوينًا من النوع V ، مع ظهور الحافة الأمامية للجناح مثل هيكل متموج مع أخاديد في الفجوات بين العنق وكلا الكتفين. تشير مقارنة الصور عالية الدقة لشاطئ الغوص وتصورات النموذج في نفق الرياح إلى أن الريش قد ينبثق في نفس المناطق التي يحدث فيها فصل التدفق المحلي.

قد تلقي هذه النتائج الضوء على الديناميكا الهوائية والتكيفات الهيكلية للغوص عالي السرعة. وأضاف بنيامين بونيتز: "فقط التحقيقات المشتركة لنموذج في نفق هوائي مع غطس الصقور الفردية سمحت لنا بالكشف عن تفاصيل رحلة الغوص. على وجه الخصوص ، ريش الشاهين المنبثق وقد يمنع فصل التدفق المحلي."


التوزيع والظهور

تحدث جميع الأنواع الفرعية الثلاثة لأمريكا الشمالية في ألاسكا. توجد صقور الشاهين في القطب الشمالي في التندرا الشمالية ، وتوجد صقور الشاهين الأمريكية في الغابات الشمالية الداخلية ، وتوجد صقور الشاهين في Peale على طول الساحل الجنوبي لألاسكا وجزر ألوشيان [5]. توجد المراكز الثلاثة ذات الكثافة التكاثرية الأعلى في ألاسكا في التندرا سفح التلال الداخلية لمنحدرات القطب الشمالي ، ونظام نهر يوكون الداخلي بما في ذلك مناطق الدلتا والصرف الجبلي المرتفع ، وشبه جزيرة ألاسكا - منطقة جزر ألوشيان [27].

شمال غرب المحيط الهادئ: في غرب واشنطن ، تصطاد صقور الشاهين الطيور على طول الشواطئ والكثبان الرملية المنخفضة والمناطق المحيطة بها مع شجرة التنوب سيتكا (P. sitchensis) ، شور الصنوبر (الالتواء الصنوبر فار. الالتواء) ، كاليفورنيا الشمع-ميرتل (ميريكا كاليفورنيكا) ، وعشب الشاطئ الأوروبي (أموفيلا أريناريا) ولا سيما في فصل الشتاء [23].

في واشنطن وأوريغون ، تحتل صقور الشاهين المنحدرات في موائل مفتوحة نسبيًا تتراوح من الأراضي العشبية منخفضة الارتفاع إلى أشجار الصنوبر عالية الارتفاع (صنوبر spp.) في جميع المراحل الحرجية ([56143] مذكورة في [25]). نادرًا ما تُرى صقور الشاهين في شجيرة السهوب في جنوب شرق واشنطن [117].

كاليفورنيا: في ولاية كاليفورنيا الساحلية ، تعيش صقور الشاهين في مجتمعات الشجيرات الساحلية التي ترتبط بالكثبان الساحلية ، والمراعي المعمرة ، والأراضي العشبية السنوية ، والأراضي الزراعية ، والمراعي ، وساحل دوغلاس التنوب (Pseudotsuga menziesii فار. menziesii) -غابات الأخشاب الصلبة ، البلوط الساحلي (Quercus spp.) الغابات ، غابات الأخشاب الصلبة الجبلية ، أشجار الصنوبر المغلقة المخروطية (كبريسوس spp.) غابات ، ساق أحمر شاميس (الورم الحميد الحزم-ألف سبارسيفوليوم) مجتمعات chaparral ، والمجتمعات المختلطة Chaparral. يُزرع فرك المريمية الساحلي بترمس الأدغال (الترمس spp.) والعديد من الترمس الملون (المبرقشة L.) في المواقع المكشوفة المطلة على المحيط وشجيرة ذئب البراري (Baccharis pilularis) في المواقع الأقل تعرضًا [47]. شرق خليج سان فرانسيسكو ، تحتل صقور الشاهين المنحدرات والمناطق الصخرية في موطن فرك الساحلي على المنحدرات المواجهة للجنوب الغربي. تشمل الأنواع السائدة نبات الميرمية في كاليفورنيا (أرتميسيا كاليفورنيكا) ، الحنطة السوداء الشرقية Mojave (Eriogonum fasciculatum) ، حكيم أسود (سالفيا ميليفيرا) و snakeweed (جوتيريزيا spp.) [117].

وفقًا لـ Verner and Boss [180] ، فإن الموطن الأمثل للصقور الشاهين (استنادًا إلى كثافة تكاثر عالية أو استخدام منطقة محددة) غير متوفر في سييرا نيفادا. ومع ذلك ، يتوفر الموائل المناسبة (كثافة أو استخدام متوسط) هناك. تشمل موائل التربية المناسبة ، والبحث عن الطعام ، والراحة في سييرا نيفادا الصنوبر الرمادي (صنوبر سابينيانا) - غابة البلوط ، تشابارال ، صنوبر بونديروسا الهادئ (P. بونديروسا فار. بونديروسا) الغابات ، والمروج الجبلية ، والغابات المتساقطة على ضفاف النهر ، والجمعيات الصنوبرية المختلطة في الربيع والصيف والخريف [180]. البلوط الأزرق (س: دوغلاسي) السافانا في غرب سييرا نيفادا [118180] وجيفري باين (P. جيفري) توفر الجمعيات موطنًا مناسبًا للبحث عن الطعام والراحة في الربيع والخريف. توفر الغابات المتساقطة على ضفاف النهر المنخفضة والمتوسطة الارتفاع وكذلك المروج الجبلية الرطبة والجافة موطنًا مناسبًا للصقر الشاهين في سييرا نيفادا. المراعي السنوية ، التنوب الأحمر بكاليفورنيا (أبيس ماجنيفيكا) ، سييرا لودجيبول الصنوبر (الكمبيوتر. فار. مورايانا) ، والغابات المتساقطة على ضفاف النهر المرتفعة توفر موطن تكاثر هامشي (منطقة تستخدم بانتظام ، ولكنها لا تلعب دورًا رئيسيًا في الحفاظ على السكان) للصقور الشاهين. لا تتغذى صقور الشاهين عمومًا على غطاء مظلة & # 880570٪ في سييرا نيفادا. يستخدمون جميع مراحل الموائل الحرجية والغابات والشابارال في سييرا نيفادا [180]. ومع ذلك ، قد تقلل المراحل المتأخرة من التشبارال من توافر الفريسة [113]. من المحتمل أن توجد صقور الشاهين في الخشب الأحمر (سيكويا سيمبيرفيرينز) والسيكويا العملاقة (Sequoiadendron giganteum) الجمعيات [53196].

تشمل النباتات السائدة في مناطق ضفاف النهر في صحاري جنوب كاليفورنيا حيث قد تتواجد صقور الشاهين [135] شجيرة بيضاء (غشاء البكارة سالسولا) [91،98] ، شجيرة ملح الماشية (أتريبلكس بوليكربا) ، فرشاة أرنب الصحراء (بانيكولاتوس أقحوان) ، أكاسيا catclaw (أكاسيا جريجى) [98] ، بوق الصحراء (Eriogonum inflatum) ، شجيرة الصحراء (بولات يوكنيد) ، فالي رينجستم (Anulocaulis annulatus) ، أريزونا حلو العسل (Tidestromia oblongifolia) ، سبورج (الفربيون spp.) ، أرز شوت الأقزام (Peucephyllum schottii) ، sweetbush (بيبيا جونكيا) وخس باري السلكي (ستيفانوميريا باري) [91].

إنترماونتين الغربية وجبال روكي: في غرب الولايات المتحدة ، من المحتمل أن تظهر صقور الشاهين في نبات الصنوبر الواحد (العرعر).P. monophylla-العرعر spp.) ، ponderosa pine ، Rocky Mountain Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii فار. الجلوكا) و التنوب التنوب (أبيس spp.) الجمعيات [53196]. ومع ذلك ، اقترح Hejl وآخرون [83] أن صقور الشاهين نادرة في غابات الصنوبر والعرعر والصنوبر والبلوط وفي صنوبر بونديروسا والصنوبر المختلط الذي يهيمن عليه روكي ماونتن دوغلاس التنوب ، صنوبر جبل روكي (كونتورتا الصنوبر فار. لاتيفوليا) ، واهتزاز غابات الحور الرجراج في جبال روكي. قد تستخدم صقور الشاهين أحيانًا التطهير في تنوب إنجلمان الراتينجية الفرعية (P. engelmannii-A. لاسيوكاربا) غابات للبحث عن الطعام [161].

في ولاية أيداهو ، تحتل صقور الشاهين جبال روكي الوسطى ، والتي تحدث على الحدود الشرقية لولاية أيداهو ([97،176] مقتبس في [18]). تشمل أنواع الغابات Rocky Mountain Douglas-fir ، وتنوب Engelmann spruce-subalpine ، وموائل الحور الرجراج المرتجفة ، مع الميرمية (شيح spp.) وفرشاة الظباء (بورشيا ترايدنتاتا) السهوب والمروج الجبلية على ارتفاعات منخفضة ([176] مذكورة في [18]). تزور صقور الشاهين أحيانًا أراضي الشجيرات والأراضي العشبية. تشمل الأراضي الشجرية التي بها صقور الشاهين الميرمية الكبيرة (أ. ترايدنتاتا) ، فرشاة الميرمية المنخفضة (شيح spp.) ، فرشاة حصان رمادية - فرشاة أرنب خضراء- (Tetradymia canescens-C. viscidiflorus) - الميرمية الكبيرة ، فرشاة أرنب خضراء - عشب الميرمية الكبيرة ، غاردنر شجيرة الملح - دهن الشتاء - ريكجراس الهندي (A. Gardneri-Krascheninnikovia lanata-Achnatherum hymenoides) أنواع ونوع نباتي مختلط الشجيرات يقتصر على تدفقات الحمم البركانية. تشمل أنواع الأراضي العشبية فرشاة الميرمية الزرقاء (pseudoroegneria spicata-أ. ثلاثية) -فرشاة أرنب خضراء ، عشبة القمح الغربية-عشب الفقر-اندفاع البلطيق (باسكوبيروم سميثي-إيفا إبطي-Juncus Balticus) ، ريجراس هندي أخضر أرنب-شائك-كمثرى (أبونتيا spp.) ، برية عملاقة (ليموس سينيروس) -فرشاة أرنب خضراء كبيرة ، وعشب قمح متوج (Agropyron cristatum) المجتمعات [117].

مواقع العش في كولورادو محاطة بخشب القطن (حور spp.) - الصفصاف ، بونديروسا الصنوبر / الشجيرة ، الصفصاف المفتوح (بيتولا spp.) المروج ، ponderosa pine-Rocky Mountain Douglas-fir ، Rocky Mountain Douglas-fir-Engelmann spruce ، Rocky Mountain Douglas-fir ، Gambel oak-Mountain mahogany-serviceberry (س: غامبيلي-سيركوكاربوس-أميلانشير spp.) الغابات الجبلية ، ومجتمعات الصنوبر والعرعر المفردة. من بين الشركاء المشتركين اهتزاز الحور الرجراج ، والتنوب الأبيض (أ. كونكولور) ، والصنوبر الرقيق (P. المرن) [59]. في شمال كولورادو ، تنتشر صقور الشاهين المهاجرة في الأراضي العشبية الجافة المختلطة التي يهيمن عليها عشب القمح (Triticeae) ، وعشب البلو في كندا (ضغط بوا) ، البراري جوني جراس (Koeleria macrantha) ، ثلاثة (أريستيدا spp.) ، والأعشاب المعمرة الأخرى ، والأعشاب [117].

جنوب غرب الصحراء: في ولاية أريزونا ، يمكن العثور على مواقع التكاثر في مجموعة واسعة من أنواع النباتات من الأراضي الرطبة ، والمناطق المشاطئة ، والغابات الصنوبرية الجبلية إلى فرك موهافي وسونوران الصحراوي [57]. تحوم صقور الشاهين حول دلتا نهر كولورادو على الحافة الغربية لصحراء سونوران [90]. يتباين توزيع الغطاء النباتي في المناطق المشاطئة لصحراء سونوران بدرجة كبيرة بسبب التباين في هطول الأمطار في الصيف والشتاء [135]. تاريخيا ، فريمونت قطن وود-جوددينج الصفصاف (Populus fremontii-إس. جوددينجي) كانت الغابات شائعة في دلتا نهر كولورادو. كانت المدرجات المرتفعة مزروعة بالمسكيت (بروسوبيس spp.) bosques. كانت الأهوار المرتبطة بأقواس الثيران والمياه الراكدة والتسريبات شائعة. في الآونة الأخيرة ، غطت غابات القطن والصفصاف مساحة محدودة ، وتم تطوير مناطق المرتفعات للزراعة ، وتمت صيانة بعض الأهوار جزئيًا بواسطة الجريان السطحي الزراعي [90]. سموكيتري (Psorothamnus spinosus) هو أيضًا نوع من الشجيرات الرئيسية على طول المجاري الكبيرة على طول الحافة الغربية لصحراء سونوران. خشب الصحراء الحديدي (أولنيا تيسوتا) و paloverde الأزرق (باركنسونيا فلوريدا) مهيمنة محليًا [135].

قد تشغل الصقور الشاهين الجداول الدائمة في صحراء الحوض العظيم. يغلب على ضفاف النهر من خشب القطن فريمونت ، خشب القطن الضيق الأوراق (P. angustifolia) ، صفصاف أرويو (S. lasiolepis) ، الصفصاف الأسود (S. نيجرا) ، صفصاف رملي (S. exigua) ، وغودينغ الصفصاف [135]. في ولاية يوتا ، يهيمن خشب القطن في فريمونت عمومًا في الأخاديد النهرية ، بينما يسود كولورادو بينيون يوتا العرعر (P. edulis-J. osteosperma) الجمعيات هي المهيمنة على قمم الجرف [77]. العيون (مواقع الأعشاش) في جنوب ولاية يوتا مرتبطة بأشجار الصنوبر والعرعر والغابات المتساقطة على ضفاف النهر. تدعم هذه الموائل قاعدة فرائس محتملة متنوعة [193]. صقور الشاهين عابرة أو غير منتظمة في مجتمعات شجيرة بلوط غامبل في ولاية يوتا [111].

قد تشغل صقور الشاهين المنحدرات وتطارد المناطق الحرجية في نيو مكسيكو. تشمل الموائل داخل المناظر الطبيعية لنيو مكسيكو عشب الغاليتا (الجنبة spp.) والجراما السوداء (Bouteloua eriopoda) المراعي ، العرعر المنفرد (J. مونوسبيرما) -غابات كولورادو بينيون ، ونادي تشولا (جروسونيا كلافاتا) -الشوك-الكمثرى-الطحلب يوكا-شجيرة الملح (يوكا جلوكا-A. canescens) و rabbitbrush-Apache-plume (أقحوان spp.-مفارقة فالوجيا) - شجيرات شجيرة ملحية على ضفاف النهر بأربعة أجنحة [117]. يشمل الغطاء النباتي السائد في جنوب غرب نيو مكسيكو الصبار والصبار (الأغاف spp.) ، والكمثرى الشائك ، وأحيانًا غطاء كثيف من بلوط غامبل ، والبلوط الرمادي (س: جريسي) ، البلوط الفضي (س: هيبوليوكويدس) ، الماهوجني الجبلي ، كولورادو بينيون ، والعرعر التمساح (J. deppeana). في نيو مكسيكو ، شملت النباتات الشائعة في المناطق التي احترقت خلال 25 عامًا جراد نيو مكسيكو (روبينيا نيومكسيكانا) والكشمش (الضلوع النيابة). بين 5000 و 8000 قدم (1500-2400 م) ارتفاع ، كانت معظم المنحدرات في جنوب غرب نيو مكسيكو محاطة بصنوبر بونديروسا الداخلية (صنوبر ص. فار. scopulorum) و Rocky Mountain Douglas-fir على المنحدرات المتوسطة أو عن طريق أشجار البلوط والعرعر والصنوبر على منحدرات xeric [69]. تعد صقور الشاهين زوارًا نادرًا في الصيف للبلوط الرملي المشرق (س: هافاردي) ومسكيت العسل (بروزوبيس غلاندولوسا) المجتمعات في جنوب شرق نيو مكسيكو [10].

في صحراء تشيهواهوان في نيو مكسيكو ، تشمل النباتات على طول التلال وحواف الوادي الصنوبر والبلوط. تدعم جدران الوادي شديدة الانحدار الأعشاب والشجيرات ، بما في ذلك الأوتيلو (روعة Fouquieria) ، سوتول (داسيليريون spp.) ، يوكا (يوكا spp.) و lechuguilla (أغاف ليتشوجويلا). يسيطر الجوز على مجاري المياه (Juglans spp.) ، Buckeye المكسيكي (Ungnadia speciosa) ، تكساس مادرون (Arbutus xalapensis) ، القيقب bigtooth (أيسر جراندينتاتوم) ، هاكبيري (سيلتيس spp.) ، والعرعر التمساح ، والبلوط [185]. تم العثور على خشب القطن والصفصاف الصحراوي على طول المصارف الأولية مع شركاء مثل المسكيت اللولبي (P. pubescens) ، مسكيت العسل ، شوكة الصحراء (ليسيوم spp.) ، و salbush. في الصرف الثانوي ، أكاسيا ، نبات حساس (الميموزا spp.) والبكاري (بشري spp.) ، خشب الأفعى (كونداليا spp.) و burrobrush مرتبطان بالصفصاف الصحراوي و / أو المسكيت [135].

يهيمن creosotebush على المناظر الطبيعية الصحراوية المنخفضة لصحراء Chihuahuan في تكساس وشمال وسط المكسيك (لارا ترايدنتاتا) ، المسكيت ، الأكاسيا ، والنباتات الحساسة. الارتفاعات من 3600 إلى 4600 قدم (1100 إلى 1400 م) مغطاة بزراعة نبات السوتول أو البراري قصيرة العشب. تم العثور على مجتمعات العرعر البلوط على ارتفاع 4600 إلى 5600 قدم (1400-1،700 م). جمعيات بينيون والبلوط والعرعر والغابات الصنوبرية بما في ذلك الصنوبر (صنوبر spp.) وروكي ماونتن دوغلاس التنوب تحدث على أعلى الارتفاعات [94].

السهول الكبرى: في ولايتي تكساس وأوكلاهوما ، تعيش صقور الشاهين في مجتمعات البلوط الرملي المشرق [52]. تنتشر صقور الشاهين على ساحل تكساس أثناء الهجرة. موائل الشاطئ المحتلة مغطاة بنباتات زرقاء صغيرة (سكوباريوم الفصام) ، عشب الحبل المملح (سبارتينا باتينز) ، بذر شاطيء البحر (سبوروبولوس فيرجينيكوس) و gulfdune paspalum (عاصم الفاصوليا) ([195] مذكور في [95]).

شرق الولايات المتحدة: يشمل الموطن الأساسي في أنظمة جرف كنتاكي الشرقية والوسطى ومنحدرات الوادي غابات مختلطة من النباتات المتوسطة وغابات الأخشاب الصلبة الشمالية ، بما في ذلك خشب الزان الشرقي الأمريكي والأصفر الحور والشوكران (Tsuga canadensis-Liriodendron tulipifera-فاجوس غرانديفوليا) [39،55]. تتميز نتوءات الحجر الرملي التي تشكل نتوءات من خشب البلوط والصنوبر والجوز (كاريا spp.) غابة [55]. على ريدجيتوبس ، تشمل الأشجار السائدة قار الصنوبر (P. جامدة) ، الصنوبر قصير الأوراق (P. يشيناتا) ، فرجينيا الصنوبر (P. فرجينيا) ، بلوط الكستناء (Q. prinus) والبلوط القرمزي (Q. coccinea). من بين الشركاء الآخرين الزيزفون الأمريكي (تيليا أمريكانا فار. هيتروفيلا) ، سكر القيقب (A. السكاروم) البلوط الأحمر الشمالي (س: روبرا)، بلوط ابيض (س: ألبا) ، أصفر buckeye (إيسكولوس فلافا) والشوكران الشرقي [39].

تعيش صقور الشاهين من 70 إلى 160 عامًا ، من صنوبر لوبلولي القديم النمو (P. تايدا) تقف مع بلوط حي مرتبط (س: فيرجينيانا) وبلوط الغار (س: لوريفوليا) في الغابات البحرية في ولاية كارولينا الجنوبية [84].

تحتل صقور الشاهين منطقة تلال فلوريدا الرملية. تشمل الأنواع الصنوبرية بلوط الصنوبر والديك الرومي طويل الأوراق (P. palustris-Q. laevis) والصنوبر الرملي (P. clausa) - فرك جمعيات البلوط. قد تشمل أنواع البلوط المقشر بلوط تشابمان (س: تشابماني) ، بلوط الآس (س: ميرتيفوليا) ، والبلوط الرمل الحي (Q. geminata) [112].

شرق كندا: على رانكين إنليت ونونافوت والتلال والمرتفعات والمنحدرات جيدة التصريف تهيمن عليها الأشنات والطحالب والشجيرات المنخفضة بما في ذلك شاي لابرادور الشمالي (ليدوم palustre) ، التوت البري الجبلي (Vaccinium vitis-idaea) ، وكراب التوت الأسود (Empetrum nigrum). هيذر الجبل الأبيض في القطب الشمالي (كاسيوب تتراغونا) يحدث في المناطق الرطبة والمنخفضة والشقوق الصخرية. هيثس ، كومبليليف أفينز الجبلي (درياس انجريفوليا) ، Sedges (كاريكس spp.) ، هيذر الجبل (كاسيوب spp.) ، والأشنة شائعة على المنحدرات وسفوح التلال في رانكين إنليت ([115] مذكور في [45]).

يهيمن الصفصاف الرمادي على التندرا في غرب جرينلاند (S. glauca) والبتولا القزم (بيتولا نانا) الشجيرات التي يقل ارتفاعها عن 3 أقدام (1 متر) ، مع التوت البري المصاحب لها (إمبيتروم spp.) ، شاي لابرادور (ليدوم spp.) ، هيذر الجبل ، البردي ، cottongrass (Eriophorum spp.) ، القصب (كالاماغروستيس spp.) ، fescue (فيستوكا spp.) و bluegrass (بوا spp.) [26،150]. في جنوب جرينلاند ، تتراوح الموائل من فرك الصفصاف الكثيف إلى الغطاء النباتي المتناثر بما في ذلك التوت الأسود والعرعر الشائع (J. communis) ، ومتناثرة من خشب البتولا يصل ارتفاعها إلى 26 قدمًا (8 م) [67،68].

المكسيك: في سييرا مادري أورينتال ، تشمل المجتمعات النباتية المحيطة بالمنحدرات التي تستخدمها الصقور الشاهين الصنوبر الأبيض الجنوبي الغربي (P. strobiformis) -روكي ماونتن دوغلاس التنوب (أبيس spp.) على التلال ، غابات بينيون-العرعر الكثيفة ، بينيون-العرعر-اليوكا على سفوح التلال وحقول الذرة (زيا ميس) ، والحقول البور ، وكلا من تفاح الجنة الصغير والناضج (مالوس بوميلا) البساتين [105]. في شمال سونورا ، لوحظ صقر الشاهين في منطقة طوبوغرافية معقدة مع بقع من غابات البلوط مفصولة عن المراعي الصحراوية أو الأراضي الشجرية. فلوريدا هوببوش (Dodonaea viscosa) ، gumhead (عاريات البذور glutinosum) ، والنباتات الحساسة تهيمن على المنطقة [70].


ميكانيكا سحب غطس الشاهين - علم الأحياء

تعد صقور الشاهين من أسرع الطيور في العالم ، حيث تصل سرعتها إلى 200 ميل في الساعة عند الغوص.

يدرس العلماء شكل الجسم ومحيط الجناح للطائر من أجل فهم أفضل لكيفية وصولهم إلى سرعات الغوص العالية هذه مع الحفاظ على القدرة على المناورة - في الطائرات البشرية ، تبطئ اللوحات من سرعتك لجعل الطائرة أكثر قدرة على المناورة.

قام الباحثون بتدريب صقور الشاهين على الغوص أمام سد بطول 200 قدم والتقاط 35 غطسًا باستخدام نظام كاميرا ستيريو عالي السرعة وكاميرا عالية الدقة. سمحت الصور للباحثين بإعادة بناء مسار الرحلة وشكل جسم الصقر خلال مراحل طيران معينة ، وبناء نموذج بالحجم الطبيعي للصقور. ثم قاموا بتحليل الديناميكا الهوائية للطائر النموذجي في نفق هوائي.

وجدوا أنه ، على غرار الأجنحة والزعانف ذات اللوحات ذاتية التكيف ، قد يظهر ريش صقر الشاهين أثناء الغوص بسرعة عالية.

يتغير شكل جسم الصقر مع زيادة السرعة. الائتمان: بنيامين بونيتز / دوى: 10.1371 / journal.pone.0086506

أظهرت النتائج أن جسم الصقر يتغير شكله مع زيادة السرعة. أثناء الغوص 200 قدم ، وصلت الطيور إلى 50 ميلاً في الساعة وأظهر شكل الجسم تكوينًا من النوع V ، مع ظهور الحافة الأمامية للجناح مثل هيكل متموج مع أخاديد في الفجوات بين العنق وكلا الكتفين.

تشير مقارنة الصور عالية الدقة لشاطئ الغوص وتصورات النموذج في نفق الرياح إلى أن الريش قد ينبثق في نفس المناطق التي يحدث فيها فصل التدفق المحلي. قد تلقي هذه النتائج الضوء على الديناميكا الهوائية والتكيفات الهيكلية للغوص عالي السرعة.

ريش الصقر المنبثق أثناء الغطس عالي السرعة وقد يمنع فصل التدفق المحلي. الائتمان: بنيامين بونيتز

قال المؤلف الرئيسي بنجامين بونيتز Benjamin Ponitz: "فقط التحقيقات المشتركة لنموذج في نفق الرياح مع غطس الصقور الفردية سمحت لنا بالكشف عن تفاصيل رحلة الغوص. على وجه الخصوص ، ريش الشاهين المنبثق وقد يمنع فصل التدفق المحلي". معهد الميكانيكا وديناميكيات الموائع في ألمانيا.


يولد الغوص عالي السرعة لدى فالكون القوى اللازمة للقبض على الفريسة الرشيقة

تغوص صقور الشاهين من ارتفاعات كبيرة وبسرعات قصوى عند الصيد لتوليد قوى هوائية عالية تمكنها من تنفيذ مناورات دقيقة والقبض على الفريسة الرشيقة. باستخدام محاكاة حاسوبية قائمة على الفيزياء ، أوضح الباحثون في هولندا والمملكة المتحدة سبب تطوير الطيور الجارحة لاستراتيجية هجوم تفرض عليهم متطلبات جسدية وإدراكية شديدة. يمكن أن يساعد البحث أيضًا في تطوير طائرات بدون طيار ذاتية الحركة.

يعد الصقر الشاهين أسرع طائر غوص في العالم وأسرع حيوان على هذا الكوكب. وفقًا لموسوعة غينيس للأرقام القياسية ، في عام 2005 تم تسجيل شخص يسافر بسرعة تزيد عن 380 كم / ساعة أثناء الانحناء - الغوص بعد الفريسة.

السقوط من السماء

يقول روبن ميلز ، عالم الأحياء بجامعة جرونينجن بهولندا وزائر أكاديمي في جامعة أكسفورد. "ثم ، في غمضة عين ، تغوص لأسفل - أولاً ترفرف بقوة ثم تطوي جناحيها لتقليل مقاومة السحب. يبدو أنه ينسحب من السماء. عندما يقترب الصقر من فريسته ، قد يضربه بضربة قوية ، أو يمسكه بمخالبه ".

أظهر زملاؤنا في جامعة أكسفورد ميلز & # 8217 سابقًا - باستخدام أجهزة تسجيل وكاميرات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على متن الطائرة - أن صقور الشاهين المنحدرة تستخدم نفس قوانين التوجيه مثل العديد من الصواريخ الموجهة من صنع الإنسان. باستخدام قواعد "التنقل النسبي" هذه ، تظل الصقور في مسار تصادمي مع فرائسها ببساطة عن طريق تتبع التغييرات في خط الرؤية على الهدف. إذا تغيرت زاوية خط البصر ، يدور الصقر بمعدل يتناسب مع سرعة ذلك التغيير. مع ثابت التناسب ، المعروف بثابت الملاحة ، يحدد معدل دوران الصقر & # 8217 ثانية ومدى سرعة وصوله إلى هدفه.

هجمات محاكاة

في أحدث الأبحاث ، الموصوفة في علم الأحياء الحسابي PLOSقام الفريق ببناء محاكاة قائمة على الفيزياء لهجمات الصقور على الفريسة الجوية للتحقيق في سبب انحدارها من ارتفاعات كبيرة وبسرعة قصوى.

قامت المحاكاة بنمذجة القوى الديناميكية الهوائية على الصقور أثناء الانحدار ، وكيف تستهدف الفريسة وتتفاعل معها باستخدام الملاحة التناسبية. تم تشغيله ملايين المرات ، حيث قام الباحثون بتغيير موضع انطلاق الصقر ، وثابت ملاحته ، وافتراضات حول الأخطاء والتأخيرات في الرؤية والتحكم. كما قاموا بنمذجة أنماط مختلفة من تحليق الفرائس.

في السابق ، تم اقتراح أن الصقور & # 8217 الغوص عالي السرعة فريسة مفاجئة ، والتي تكافح بعد ذلك للاستجابة في الوقت المناسب. لكن كان من المفترض أيضًا أن سرعة الهجوم ستقلل من الدقة ، خاصة إذا كانت الفريسة تنقلب بشكل حاد.

اكتشف الباحثون ، مع ذلك ، أنه عندما تتحرك الفريسة بشكل غير منتظم ، فإن السرعة القصوى لانحدار الصقر تزيد من القوى الديناميكية الهوائية التي تمكن من المناورة الدقيقة وتزيد من نجاح الصيد مقارنة بهجمات أبطأ على ارتفاعات منخفضة.

اعتراض الفريسة

"من خلال طي الأجنحة بشكل مناسب ، يستطيع الصقر المنحني الوصول إلى التسارع الجانبي (الذي يزيد عن 15 ز) ، وتسريع التدحرج - خفة الحركة - المطلوب لتلبية متطلبات التوجيه وباستخدام نفس قواعد التوجيه الرياضية مثل الصواريخ من صنع الإنسان ، فإن الصقر قادر على اعتراض الفريسة بحدة دون الالتفاف بحدة "، يوضح ميلز.

وفقًا للمحاكاة ، لا يعمل هذا إلا إذا تم ضبط قانون توجيه الصقر بدقة ، وإذا كانت الطيور تتمتع بدرجة عالية من التحكم في التوجيه والدقة البصرية. ويقول الباحثون إن هذا يدل على أن الانحدار هو استراتيجية هجوم متخصصة للغاية ، مضيفين أن ثابت الملاحة الأمثل للمحاكاة كان قريبًا من ذلك الذي لوحظ في صقور الشاهين.

وجد الفريق أيضًا أن عمليات التوقف عالية السرعة لا تتطلب أوقات رد فعل أسرع من الهجمات البطيئة. يوضح ميلز: "من خلال زيادة خفة حركة الصقر ، يعوض الانحناء عن الانخفاض في نجاح الصيد الناتج عن الاستجابة البطيئة". "إذا كان اتخاذ قرار الصقر فوريًا بشكل أساسي ، فلن يتطلب الأمر انحدارًا عالي السرعة للقبض على معظم الفرائس."

استبدال الصقور

في النهاية ، يأمل ميلز في استخدام البيانات لتطوير طائرات بدون طيار ذاتية التحكم بالكامل. أحد التطبيقات العملية لهذه التكنولوجيا هو استبدال الصقور والصقور المكلفة المستخدمة حاليًا في المطارات لمطاردة الطيور ، لمنعها من الطيران في محركات الطائرات.

"إن الشيء الرائع في عمليات المحاكاة لدينا هو أنها تسد الفجوة بين آلات الطيران الاصطناعية وعلم الأحياء: من خلال الجمع بشكل فريد بين قوانين التحكم المثلى المشتقة نظريًا والنمذجة الديناميكية الهوائية التي تم التحقق منها تجريبياً وسلوك الهجوم والقيود الفسيولوجية للطيور الحقيقية ، نتعلم بدقة ما هي الطيور فعل ولماذا - ولكن أيضًا كيفية التحكم بشكل أفضل في الطائرات بدون طيار من صنع الإنسان ، "يقول ميلز.


أساليب

نموذج الطيور

ساعدت أحدث معدات التتبع البصري عالي السرعة المستخدمة أثناء التجربة الميدانية في حل مسار الرحلة وتكوينات الجناح على فترات مختلفة أثناء الانحدار 5. تم الحصول على هندسة الطائر من خلال مسح ثلاثي الأبعاد لصقر الشاهين المحشو مع تثبيت جناحيه وفقًا للتشكل الملحوظ من التحليل التفصيلي للتسجيلات أثناء التجربة الميدانية. تم استيراد هذه الإحداثيات إلى حزمة CAD لمزيد من الضبط الدقيق لخطوط السطح المطلوبة لتصنيع نماذج نفق الرياح بالحجم الطبيعي باستخدام النماذج الأولية السريعة (الطباعة ثلاثية الأبعاد) ومحاكاة CFD. تم صقل سطح النموذج المطبوع ثلاثي الأبعاد يدويًا حتى تم اعتباره أملسًا ، على غرار نسيج سطح ريش صقور الشاهين. بسبب القوة الميكانيكية العالية للذيل والريش الأساسي الذي أبلغ عنه المرجع. في الشكل 9 ، افترضنا أنها تعمل كأسطح ديناميكية هوائية مع حد أدنى من الانحراف وبالتالي تأثير ضئيل على متوسط ​​التدفق الكلي بسبب تشوه الريش. تم تركيب نموذج بالحجم الطبيعي بطول 0.40 مترًا ويمتد 0.22 مترًا أفقيًا على لدغة مثبتة بين المنطقة الشرجية للطائر وأرضية قسم الاختبار (ارتفاع 0.8 متر وعرض 1.12 متر وطول 1.8 متر) من المستوى المنخفض -مرفق نفق الرياح السرعة لمختبر Handley Page Aeronautics في سيتي ، جامعة لندن. تم ضبطه بزاوية حدوث 5 درجات وأجريت التجربة بسرعة تدفق حر تبلغ 22.5 م / ث بعد المرجع. 5. هذا يتوافق مع عدد رينولدز

5.8 × 10 5 ، بناءً على طول الطائر. تُعرَّف زاوية الهجوم بأنها الزاوية بين خط الوتر (يمر هنا بجسم الطائر) واتجاه تدفق التيار الحر في النفق. في الطيران الحر ، هي الزاوية بين الوتر ومسار الطائر. تم اشتقاق هذه الزاوية من مجموعة من الملاحظات الميدانية (الموضحة بشكل تخطيطي في الشكل 1) واختبار نفق الرياح في فرايبرج بقيادة C. Brücker وتم الإبلاغ عنها بواسطة Ponitz et al. نظرًا لأننا مهتمون بشكل أساسي بفيزياء التدفق في هذا الحدوث المنخفض نسبيًا ، فقد افترض أن تأثير الانسداد ضئيل. بعد المرجع. في الشكل 9 ، كان من المفترض أن يكون تأثير الريش ضئيلًا على متوسط ​​التدفق.

تقنية تصور التدفق

تم استخدام تقنية تصور التدفق السطحي التي تتكون من مزيج من الروح البيضاء (النفثا) ومسحوق DayGlo وحمض الأوليك لالتقاط طوبولوجيا التدفق فوق نموذج الطيور. تم وضع الخليط على السطح باستخدام فرشاة طلاء ناعمة ، قبل تشغيل النفق مباشرة. تم تسجيل تطور الفيلم الزيتي وتم تصوير النمط النهائي المطوَّر بالكامل تحت الإضاءة فوق البنفسجية لزيادة التعريف. بسبب إجهاد القص بين السطح والسائل بالقرب من السطح ، يتم إنشاء نمط من الخطوط الانسيابية المعروفة أيضًا باسم خطوط احتكاك الجلد ، مما يشير إلى مسار التدفق القريب من السطح. ساعد التمثيل الطوبولوجي لهذه الانسيابات القريبة من السطح في تحديد وتفسير مناطق التدفق المنفصل وأصول الدوامات باستخدام نظرية النقطة الحرجة. كان تحليل تسجيلات الفيديو لحركة الغشاء الزيتي العابر مفيدًا جدًا في تحديد مناطق الفصل وتشكيل الدوامة ، والتي كان من الصعب تفسيرها فقط من الصورة الثابتة للنمط المجفف أخيرًا.

قياس سرعة صورة الجسيمات الرقمية

يتم استخدام إصدار استريو من كاميرتين لنظام TSI DPIV القياسي يتم استخدام الإضاءة باستخدام ليزر Nd: YLF مزدوج النبض بسمك 4 مم (Litron LDY303 ، الطول الموجي 527 نانومتر ، 20 مللي جول / نبضة) ممتد إلى ورقة ذات أسطواني عدسة. تم تثبيت كاميرتين عاليتي السرعة (Phantom Miro M310 ، Vision Research ، 1280 × 800 بكسل) على جانبي قسم الاختبار وعرض إيقاظ الطائر باستخدام آلية Scheimpflug tilt-shift ، وعدسة الماكرو (Tokina 100 mm f / 2.8). تم تعديل مجالات رؤية الكاميرتين بحيث يشمل مجال الرؤية المشترك كامل أعقاب نموذج الطائر ، مع محاذاة الخط المركزي للطائر مع مركز مجال الرؤية. كانت زوايا عرض الكاميرات حوالي 40 درجة لكل منها ، بزاوية Scheimpflug تبلغ

6 ° لكل منهما. تمت معايرتها لحساب التشويه الزاوي ضد هدف من مستويين له نقاط علامة معايرة تتناوب بين عمقين. تم استخدام قطرات زيت الزيتون التي يبلغ متوسط ​​حجمها 1 ميكرومتر الناتجة عن مولد البذر (نوع فوهة لاسكين) كجزيئات بذور ، تم حقنها في اتجاه مجرى نهر نموذج الطيور. تم الحصول على أزواج صور DPIV بمعدل 250 هرتز لمدة 4 ثوانٍ مما أدى إلى إجمالي 1000 زوج من الصور. تمت معالجة أزواج الصور الأولية من كلتا الكاميرات مسبقًا باستخدام برنامج TSI Insight 4G وحددت خوارزمية قوية للارتباط المتبادل مجال متجه السرعة. كان حجم البقعة للمرور الأول لحساب حقل المتجه 64 × 64 بكسل ، مع تباعد شبكي متداخل بنسبة 50٪. تم تقليل حجم البقعة إلى 32 × 32 بكسل للمرور الثاني ، مع حد أقصى للإزاحة يبلغ 16 بكسل. تم تنفيذ قناع Gaussian باستخدام رابط FFT لحساب دالة الارتباط. ثم تم إخضاع المتجهات المحسوبة لكل كاميرا لمعايرة مكانية المنظور لإنتاج المكونات الثلاثة للسرعة. تم التحقق من صحة حقول المتجهات باستخدام مرشح متوسط ​​محلي (3 × 3) وتم استيفاء أي ناقلات مفقودة باستخدام متوسط ​​محلي. تم تجاهل أي نواقل زائفة وتم استبدالها بمتجه محرف ، كما ذكر من قبل. كانت كمية المتجهات الزائفة أقل من 2٪ من مجموعة بيانات المتجه بأكملها. تم الحصول على مجال الدوامة الموضح في الشكل 3 ج من متوسط ​​العينة الكاملة.

ديناميكا الموائع الحسابية

يتم إجراء جميع عمليات محاكاة CFD باستخدام البرنامج التجاري ، STAR CCM + v.12 ، القادر على حسابات Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) والمحاكاة الكبيرة (LES) غير المستقرة. تم تحلل المجال الحسابي في شبكة ديكارتي عالمية وتم إنشاء طبقات موشورية قريبة من السطح من شبكة سطحية. The initial mesh was based on an anisotropic hexahedral trimmed grid and has approximately 57 million cells where the minimum grid spacing was defined on the basis of ذ + ≤ 1 to resolve the fine scales of the boundary layer 28 . A second-order accurate scheme was selected for the spatial and temporal discretisation 29 . The initial RANS simulations were regarded as converged if the residuals of the momentums (X, ص, ض) and the energy dropped below ε = 10 −5 . To ensure that neither timestep nor mesh induced errors influenced the numerical results from the LES, all simulations were recalculated using a coarser and finer mesh respectively for a smaller and bigger time step. Further detail is presented as Supplementary Material where Supplementary Fig. 1 shows evidence of convergence. As the CAD model is an exact replica of the original falcon model design, the results could be directly compared with the experimental data.

Data availability

The live recording of the surface oil-flow visualisation, the DPIV and the CFD simulation results are available at ‘figshare’ under https://doi.org/10.6084/m9.figshare.5928229


Gliding flight: speed and acceleration of ideal falcons during diving and pull out.

Some falcons, such as peregrines (Falco peregrinus), attack their prey in the air at the end of high-speed dives and are thought to be the fastest of animals. Estimates of their top speed in a dive range up to 157 m s-1, although speeds this high have never been accurately measured. This study investigates the aerodynamic and gravitational forces on 'ideal falcons' and uses a mathematical model to calculate speed and acceleration during diving. Ideal falcons have body masses of 0.5-2.0 kg and morphological and aerodynamic properties based on those measured for real falcons. The top speeds reached during a dive depend on the mass of the bird and the angle and duration of the dive. Given enough time, ideal falcons can reach top speeds of 89-112 m s-1 in a vertical dive, the higher speed for the heaviest bird, when the parasite drag coefficient has a value of 0.18. This value was measured for low-speed flight, and it could plausibly decline to 0.07 at high speeds. Top speeds then would be 138-174 m s-1. An ideal falcon diving at angles between 15 and 90 degrees with a mass of 1 kg reaches 95 % of top speed after travelling approximately 1200 m. The time and altitude loss to reach 95 % of top speed range from 38 s and 322 m at 15 degrees to 16 s and 1140 m at 90 degrees, respectively. During pull out at top speed from a vertical dive, the 1 kg ideal falcon can generate a lift force 18 times its own weight by reducing its wing span, compared with a lift force of 1.7 times its weight at full wing span. The falcon loses 60 m of altitude while pulling out of the dive, and lift and loss of altitude both decrease as the angle of the dive decreases. The 1 kg falcon can slow down in a dive by increasing its parasite drag and the angle of attack of its wings. Both lift and drag increase with angle of attack, but the falcon can cancel the increased lift by holding its wings in a cupped position so that part of the lift is directed laterally. The increased drag of wings producing maximum lift is great enough to decelerate the falcon at -1.5 times the acceleration of gravity at a dive angle of 45 degrees and a speed of 41 m s-1 (0.5 times top speed). Real falcons can control their speeds in a dive by changing their drag and by choosing the length of the dive. They would encounter both advantages and disadvantages by diving at the top speeds of ideal falcons, and whether they achieve those speeds remains to be investigated.

Email alerts

Cited by

Find us at the SEB 2021 Annual Conference

We’re looking forward to the SEB 2021 Annual Conference, taking place online from 29 June – 8 July.

Careers and Coffee
Join JEB Reviews Editor Charlottle Rutledge at 1.30pm on 1 July to hear about her personal career journey.

Young Scientist Award
We’re delighted to sponsor the Young Scientist Award (animal section). The winner will be announced on 2 July during the Medal and Prize session.

Subject collections
View our subject collections highlighting papers by recent SEB award winners, find out how JEB supports early-career researchers and learn about the journal.

Call for papers - Building New Paradigms in Comparative Physiology and Biomechanics

Our upcoming special issue is welcoming submissions until 31 July 2021. The special issue will be published in early 2022 and will be widely promoted online and at key global conferences.

Sickness behaviours across vertebrate taxa

Caiman red blood cells carry bicarbonate, not blood plasma

Bautista et al. find that rather than carry bicarbonate in their blood plasma, caiman carry the anion in their red blood cells, thanks to their specially modified haemoglobin.

Read & Publish agreement with EIFL

We are pleased to announce that researchers in 30 developing and transition economy countries can benefit from immediate and fee-free Open Access publishing in Journal of Experimental Biology following a new agreement with Electronic Information for Libraries (EIFL).

We now have over 200 institutions in more than 20 countries and six library consortia participating in our read & Publish initiative. Find out more and view the full list of participating institutions.


Why Does the Peregrine Falcon Risk Its Bullet-Like Dives to Catch Prey?

The bird is a marvel of evolution, a gifted raptor that uses its special advantages to reach dive speeds of over 300 km/hr.

A peregrine falcon turns in the air… Credit: peterichman/Flickr, CC BY 2.0

When it comes to speed, humans are often effortlessly outclassed by other members of the animal kingdom. In short bursts, a cheetah can reach speeds four times greater than Usain Bolt’s. A sailfish can swim ten-times faster than the fastest human swimmer ever.

The fastest animal in the air, however, is just stupendous. It is the fastest of them all.

The peregrine falcon’s body is built to execute high-speed manoeuvres as it dives through the air to snag its prey. Tailor-made wings and feathers reduce drag by allowing the falcon to shape itself like a bullet. A large keel bone allows it to flap its wings more vigorously and generate lots of power. Nifty modifications in the eye keep its cornea from drying up in-flight. A sophisticated breathing and circulatory apparatus gives it the ability to breathe at high speeds and not tire quickly.

The bird is a marvel of evolution, a gifted raptor that uses its special advantages to reach dive speeds of over 300 km/hr. That’s three-times faster than a cheetah or a sailfish.

That said, it’s curious why the peregrine falcon engages in this remarkable aerial attack strategy at all. Scientists believe the falcon’s stoop is a payoff between surprising its prey and risking hitting a target – or the ground – at over 200 km/hr. High-speed dives also make it hard for the falcon to make mid-flight adjustments to its trajectory. In all, its a gamble of a dive, and the falcon surely has better options…

Studying the aerial dynamics of birds is not easy, especially when these dynamics involve speeds of an F1 car in full throttle, moving through air. Evaluating if an attack strategy is optimal is also complicated because each strategy is motivated by a variety of shifting factors working together.

As a result, scientists switched to using computer simulations to understand why peregrine falcons perform their boltlike dives. Their working question: does the stoop increase the odds of successfully catching prey?

According to a recently published study, the answer is ‘yes’.

When confronted with agile prey, the peregrine falcon goes for a high-altitude swoop because that’s indeed the best mode of attack. The researchers coupled the individual flight mechanics of the falcon to a navigation system, and tried to find the conditions in which a stoop attack offered unique advantages, and why.

The birds known as starlings (of the murmurations fame) have three flight trajectories: straight line flight, smooth curving and jerky turns. These courses broadly correspond to actual paths many birds are known to follow. The peregrine falcon has to design its stoop such that it catches these birds when as they’re performing one of these three moves.

In their simulations, the scientists modelled the way a falcon corrected its stoop while hurtling through the air along the laws used by guided missiles to maintain their fix on targets. This choice was inspired by the results of a study published last year, when different scientists had attached camera and GPS devices on falcons and found that their trajectory was quite similar to the path followed by visually guided missiles. In these exercises, they found that a single number called the ‘navigation constant’ was able to dictate how the falcon would compensate for its prey’s motion.

In the current study, the researchers picked one starling flight strategy at a time and ran simulations for different stoop altitudes, angles of attack and navigation constants. Across millions of simulations, they were able to distill the complex predator-prey dynamics of an actual starling-falcon system to a set of just three parameters.

At low speed, the falcon is outsmarted by the starling because the latter are better able to steer their bodies and execute tighter turns. At a high speed, however, the falcon kills it. When the starling flies in a straight line, the falcon is better off diving from low heights. As soon as the starlings begin to move around a bit, the falcon has to increase its diving height to achieve a high catch-success rate.

When the starlings start to move jerkily, in seemingly abrupt ways, the most successful strategy for the falcon is to dive from a height of almost 5,000 feet (1.5 km) – a high-power stoop in which the falcon almost reaches its maximum possible speed at the point of interception.

The high speed achieved during this death-dive gives the falcon a distinct aerodynamic advantage: the falcon is able to roll with higher acceleration and outmanoeuvre the starlings. It also has more leeway to sacrifice speed for a lifting force, allowing it to steer into tighter turns.

In sum, while the stoop puts pressure on the falcon to get its vision and flight control right, it also gives the falcon more time to respond to changes in its prey’s path. The study’s authors claim that for a fixed navigation constant (close to the empirically deduced value for missile systems), the stoop becomes the best way to attack a maneuvering prey.

Even though the simulations used in the study represented an idealised picture of an interaction between predator and prey, they have revealed previously hidden insights into why aerial predators adopt risky, challenging attack strategies when easier options seem to exist.

Apart from behavioral and environmental conditions that influence predation, there is a clear physical basis for the peregrine falcon’s dives. And these revelations have emerged from an analysis almost completely bereft of biological considerations.

Ronak Gupta recently completed his masters in fluid mechanics from the Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Bangalore. He writes about all things science.


Mechanics of Peregrine Falcon Dive Pull Up - Biology

Institute of Mechanics and Fluid Dynamics, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany

Copyright © 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

Received 1 October 2014 revised 31 October 2014 accepted 28 November 2014

During a dive peregrine falcons can reach velocities of more than 320 km/h and makes themselves the fastest animals in the world. The aerodynamic mechanisms involved are not fully understood yet and the search for a conclusive answer to this fact motivates the three-dimensional (3-D) flow study. Especially the cupped wing configuration which is a unique feature of the wing shape in falcon peregrine dive is our focus herein. In particular, the flow in the gap between the main body and the cupped wing is studied to understand how this flow interacts with the body and to what extend it affects the integral forces of lift and drag. Characteristic shapes of the wings while diving are studied with regard to their aerodynamics using computational fluid dynamics (CFD). The results of the numerical simulations via ICEM CFD and OpenFOAM show predominant flow structures around the body surface and in the wake of the falcon model such as a pair of body vortices and tip vortices. The drag for the cupped wing profile is reduced in relation to the configuration of opened wings (without cupped-like profile) while lift is increased. The purpose of this study is primarily the basic research of the aerodynamic mechanisms during the falcon’s diving flight. The results could be important for maintaining good maneuverability at high speeds in the aviation sector.

Peregrine Falcon, Aerodynamics, Cupped Wings, CFD

The peregrine falcon (Falco peregrinus) is one of the world’s fastest birds. During horizontal flight, it reaches velocities of up to 150 km/h ([1] [2] ) and even more than 320 km/h when nose-diving to attack its bird prey (e.g. [3] -[10] ). Nearly all bird species can alter the shape of their wings and thus they can change their aerodynamic properties [11] [12] , a concept known as “morphing wing” [13] . During a dive, peregrines also alter the shape of their wings while accelerating, they move them closer and closer to their body [10] . Several body shapes can be described as a classical diamond shape of the wings followed by a tight vertical tuck with a cupped-like profile of the frontal wing parts [10] [14] -[16] . Only at top velocities (up to at least 320 km/h) peregrines build a wrap dive vacuum pack, i.e. the wings are completely folded against the elongated body [17] . Peregrines are not only extremely fast flyers but also maintain remarkable maneuverability at high speeds. For instance, during courtship behavior they often change their flight path at the end of a dive, i.e. they turn from a vertical dive into a steep climb. This suggests that peregrines are exposed to high mechanical loads.

Although the nose-diving flight of peregrines has been investigated for numerous times, exact numerical flow simulations have not been carried out. Therefore, we investigated different wing configurations (opened wings and cupped wings extension [9] ) of the peregrine falcon during diving flight. Both geometries are gained from a previous study by Ponitz et al. (2014) [18] at maximum diving velocities from a dam wall dive. The present study investigates the influence of the geometry change of the extended cupped wings configuration via numerical simulations. The results show that the cupped wings reduce both form and induced drag, while increasing the lift coefficient. This shows how fine the bird can tune the body forces by morphing the wing shape in diving flight conditions.

2.1. Geometries and Models of the Falcon

2.1.1. Dam Wall Diving Flights of Real Falcons

The numerical simulation in this study is based on the specific diving flight condition which is gained from a previous study by [18] . A peregrine falcon was trained to dive from a dam wall and the dive was captured with a stereo high-speed camera system to reconstruct the 3-D flight path. Furthermore, a camera equipped with 400 mm zoom lenses was used to gain detail studies of the falcon body geometry. The region of interest shows three flight phases: (1) acceleration/diving phase, (2) transient phase with roughly constant speed and (3) deceleration phase. A maximum dive speed of 22.5 m/s was derived from the flight trajectory at flight phase (2). During the dive two significant body geometries are determined around the transient flight phase (2): one configuration without cupped wings (hereinafter called “opened wings”) and one configuration with cupped wings [9] (see Figure 1). For the investigated flight situation an angle of attack />was determined for the equilibrium condition at the maximum diving speed of 22.5 m/s. For this flight situation wings remain stationary and do not flap.

شكل 1 . 3-D flight path and detailed body geometries of the falcon’s dive from dam wall Olef-Talsperre, Germany. The trajectory is color-coded with the flight velocity magnitude (red color: higher velocities). The region of interest shows three flight phases: (1) acceleration/diving phase, (2) transient phase with roughly constant speed and (3) deceleration phase. Maximum velocity during the dive was 22.5 m/s at flight phase (2). For this transient phase two specific configurations (opened wings and cupped wings) were obtained. An angle of attack α = 5˚ was determined for the equilibrium condition [18] .

2.1.2. Generation of the Models

A life-sized model was built for both configurations, opened wings and cupped wings. Thus, we used the stuffed body of a female peregrine falcon and manually modified its wings until every body shape matched to the geometries of the falcon during dive from the dam wall (see Figure 1). The main part of the body for both configurations is identical. Only the tips of the wings are modified by a kind of winglets extension (cupped wings). Each modified body was fixated and subsequently scanned to acquire its 3-D surface contours (see Figure 2). In a further step, a one-to-one polyvinyl chloride (PVC) model was fabricated by laser sintering process using the acquired 3-D data. The experimental data from wind-tunnel test on this PVC falcon model is needed to evaluate the numerical simulations. Details of the aerodynamic relevant surface areas are given in Table 1.

For evaluating the numerical model the flow around the life-size PVC model was measured in a type Göttingenwind-tunnel. A force-balance delivered experimental data of the lift and drag forces of the identical model geometry. Hence, results of the wind-tunnel tests can be compared with numerical simulation results of lift and drag coefficients. The experimental set-up is depicted in Figure 3.

The numerical flow simulations of the falcon allow visualizing flow regions that are difficult to access by experimental methods. Furthermore, they enable to show distributions, for example, of the wall shear stress or pressure in order to identify hot spots, and most important for the present work, the exact determination of quantities like the λ2 vortex criterion of the flow field. In the present study, the three-dimensional CAD model of the falcon is transferred into a computational unstructured grid using a grid generation tool ICEM CFD 14.5 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA). The computational domain as marked in Figure 4 includes the inflow region, the falcon region, and the downstream wake region of the flow.

Special attention was paid to the meshing of the falcon. Refinements toward near-wall regions were taken into consideration. The grid consists in total of 6.5 million unstructured tetrahedron cells and 1.5 million prism cells on the falcon surface. A mesh independency check for the results of lift and drag coefficients was done for up to 10 million cells. Simulation stability was investigated in respect to different grid parameters and following settings leads to stable results: The height of the first prisms layer on the falcon surface is set to 0.1 mm />with a growth factor of 1.10 for the following layer perpendicular to the wall and a total number of 10 layers

الشكل 2 . Computer aided design (CAD) falcon models: opened wingshape (left) and cupped wing shape (right).

Table 1 . Reference areas of the falcon modelswith opened wings and cupped wings.


Why Does the Peregrine Falcon Risk Its Bullet-Like Dives to Catch Prey?

When it comes to speed, humans are often effortlessly outclassed by other members of the animal kingdom. In short bursts, a cheetah can reach speeds four times greater than Usain Bolt’s. A sailfish can swim ten-times faster than the fastest human swimmer ever.

The fastest animal in the air, however, is just stupendous. It is the fastest of them all.

The peregrine falcon’s body is built to execute high-speed manoeuvres as it dives through the air to snag its prey. Tailor-made wings and feathers reduce drag by allowing the falcon to shape itself like a bullet. A large keel bone allows it to flap its wings more vigorously and generate lots of power. Nifty modifications in the eye keep its cornea from drying up in-flight. A sophisticated breathing and circulatory apparatus gives it the ability to breathe at high speeds and not tire quickly.

The bird is a marvel of evolution, a gifted raptor that uses its special advantages to reach dive speeds of over 300 km/hr. That’s three-times faster than a cheetah or a sailfish.

That said, it’s curious why the peregrine falcon engages in this remarkable aerial attack strategy at all. Scientists believe the falcon’s stoop is a payoff between surprising its prey and risking hitting a target – or the ground – at over 200 km/hr. High-speed dives also make it hard for the falcon to make mid-flight adjustments to its trajectory. In all, its a gamble of a dive, and the falcon surely has better options…

Studying the aerial dynamics of birds is not easy, especially when these dynamics involve speeds of an F1 car in full throttle, moving through air. Evaluating if an attack strategy is optimal is also complicated because each strategy is motivated by a variety of shifting factors working together.

As a result, scientists switched to using computer simulations to understand why peregrine falcons perform their boltlike dives. Their working question: does the stoop increase the odds of successfully catching prey?

According to a recently published study, the answer is ‘yes’.

When confronted with agile prey, the peregrine falcon goes for a high-altitude swoop because that’s indeed the best mode of attack. The researchers coupled the individual flight mechanics of the falcon to a navigation system, and tried to find the conditions in which a stoop attack offered unique advantages, and why.

The birds known as starlings (of the murmurations fame) have three flight trajectories: straight line flight, smooth curving and jerky turns. These courses broadly correspond to actual paths many birds are known to follow. The peregrine falcon has to design its stoop such that it catches these birds when as they’re performing one of these three moves.

In their simulations, the scientists modelled the way a falcon corrected its stoop while hurtling through the air along the laws used by guided missiles to maintain their fix on targets. This choice was inspired by the results of a study published last year, when different scientists had attached camera and GPS devices on falcons and found that their trajectory was quite similar to the path followed by visually guided missiles. In these exercises, they found that a single number called the ‘navigation constant’ was able to dictate how the falcon would compensate for its prey’s motion.

In the current study, the researchers picked one starling flight strategy at a time and ran simulations for different stoop altitudes, angles of attack and navigation constants. Across millions of simulations, they were able to distill the complex predator-prey dynamics of an actual starling-falcon system to a set of just three parameters.

At low speed, the falcon is outsmarted by the starling because the latter are better able to steer their bodies and execute tighter turns. At a high speed, however, the falcon kills it. When the starling flies in a straight line, the falcon is better off diving from low heights. As soon as the starlings begin to move around a bit, the falcon has to increase its diving height to achieve a high catch-success rate.

When the starlings start to move jerkily, in seemingly abrupt ways, the most successful strategy for the falcon is to dive from a height of almost 5,000 feet (1.5 km) – a high-power stoop in which the falcon almost reaches its maximum possible speed at the point of interception.

The high speed achieved during this death-dive gives the falcon a distinct aerodynamic advantage: the falcon is able to roll with higher acceleration and outmanoeuvre the starlings. It also has more leeway to sacrifice speed for a lifting force, allowing it to steer into tighter turns.

In sum, while the stoop puts pressure on the falcon to get its vision and flight control right, it also gives the falcon more time to respond to changes in its prey’s path. The study’s authors claim that for a fixed navigation constant (close to the empirically deduced value for missile systems), the stoop becomes the best way to attack a maneuvering prey.

Even though the simulations used in the study represented an idealised picture of an interaction between predator and prey, they have revealed previously hidden insights into why aerial predators adopt risky, challenging attack strategies when easier options seem to exist.

Apart from behavioral and environmental conditions that influence predation, there is a clear physical basis for the peregrine falcon’s dives. And these revelations have emerged from an analysis almost completely bereft of biological considerations.

Ronak Gupta recently completed his masters in fluid mechanics from the Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Bangalore. He writes about all things science.


شاهد الفيديو: صقر الشاهين والحر الطهار والباز وصيد البط (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Jenci

    قالت أشياء ذكية)

  2. Kilabar

    أعتقد أنك سوف تسمح للخطأ. يمكنني الدفاع عن موقفي. اكتب لي في PM.

  3. Zutaxe

    عبارة رائعة للغاية

  4. Jeraldo

    بشكل رائع ، هذه الرسالة القيمة للغاية

  5. Brarn

    أعتقد أنه خطأ. أقترح مناقشته. اكتب لي في PM.



اكتب رسالة