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生物物理学

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推断恐龙如何移动

02 Feb 2017
从2017年2月发行中获取 物理世界

恐龙和他们的表兄弟怎么样翼龙乘飞机?物理学建模有助于解决这些运动的奥秘,如 Matthew R Francis. reports

一个暴龙雷克斯,在森林清洁,咆哮,而两个翼龙飞在后台Tyrannosaurus雷克斯是最大的食肉恐龙之一。 (礼貌:Shutterstock / Herschel Hoffmeyer)" />
顶级掠食者 研究人员已经建模了运行的力学 Tyrannosaurus雷克斯是最大的食肉恐龙之一。 (礼貌:Shutterstock / Herschel Hoffmeyer)

侏罗纪公园 它的续集最好是怪物电影。但他们确实让恐龙看起来像真实的动物一样 - 当然,他们是。超过1亿年,各组恐龙是地球上最大的捕食者和食草动物。也有许多较小的物种,虽然我们只知道他们的一小部分,因为它们的化石很少见,但我们知道许多只能通过碎片。

科学家能够回答最大的科学问题 侏罗纪公园 在其中一个最紧张的追逐场景中:可以 Tyrannosaurus雷克斯 超级吉普车? (答案:没有。)知道顶点捕食者的最高速度是至关重要的,因为它告诉我们它可以捕获的各种猎物。为了更好地了解这些生物,科学家也想知道是否是一个 斯托克劳斯' 令人毛骨悚然的穗状花序可以用作武器,以及它可以做的伤害。另一个问题是翼龙(恐龙的表兄弟)可以发展成为最大的飞行动物。

回答所有这些问题涉及了解这些生物骷髅可以承受的力量和扭矩。它还涉及估计其肌肉的强度和肉体的质量。虽然某些骨头和肌肉片段,但幸存了过去6500万年,不幸的是,肉体未被保留。这意味着虽然这些问题来自古生物学,但必须使用物理,力图和多体模拟来回答它们。

“我被描述为拒绝物理学家,”洛杉矶县自然历史博物馆的迈克尔哈比布承认,他在流体机械中的培训方面通知了佩尔斯瓦尔的工作。

许多古生物学家还研究活体动物,因为骨骼和肌肉在动物王国上有很多共同特征。鸟类甚至技术上是恐龙,从被称为呼叫的子阶层下降 therapoda.。但比喻只能到目前为止。 “我们在恐龙中拥有的是哺乳动物和鸟类和鳄鱼和一个监视蜥蜴之间的交叉,”柏林博物馆的Heinrich Mallison·赫辛里希·梅森说。虽然使用现代动物作为立式诱人,但“没有现存的动物是一个完美的模特”。

伦敦大学皇家兽医学院的进化生物力学约翰·哈钦森同意。 “我宁愿模特 T.rex. 作为一个 T. Rex.。这是计算模型的好处:您可以用自己的解剖结构模拟该动物的物理学。“

所有关于质量

考虑鸵鸟,是最大的恐龙。它具有带有空气囊的空心骨,其连接到其肺部,这有助于呼吸并保持其骨架光与相同尺寸的哺乳动物相比。他们的许多灭绝的恐龙表兄弟也有空心的骨头和空气囊,这有助于他们生长巨大。但是当他们活着时,恐龙的大规模是多么恐龙,那种群众如何通过身体分布?

哈钦森解释说,当体重决定动物的生物学可以做的那么多时,你必须小心地绘制适当的类似物。 “具有约100kg的质量的鸵鸟是小于a的数量级 T.rex.,“ 他说。 “如果你正在看100公斤恐龙并将它与100公斤的活动物比较,那么它可能没关系。”

使用来自活性动物的数据,古生物学家可以估计恐龙或翼龙身体的每一部分的质量。然后,它们可以构建一种模型来确定其质量中心的位置,当动物迈出阶梯时所涉及的力量和扭矩,以及飞行爬行动物的翼骨的应力。

然而,由于肌肉永不保留足以重建整个动物,因此恐龙重量估计通常变化两倍以上。估计空气囊恐龙的肌肉和分布取决于大量假设。例如,完全成长 T.rex. 可以重达5吨,或11吨或之间的任何东西。由于Heftier动物移动比Svelte在内的速度更慢 侏罗纪公园例如,进入物理模型的假设强烈影响结果。

跑步, T. Rex., 跑步

我们知道 T. Rex. 站在两条腿上,几乎水平地握住身体。平衡其巨大的头部和锚杆,它有一个巨大的尾巴。这意味着它必须在步行或跑步的同时在每个步骤中支持单腿上的所有重量。速度越快,单腿必须支持的压力越大。

建模运行的机制 T. Rex.,哈钦森和他的同事检查了中型中冻结的动物,它的身体在一条腿上支持(2002年 自然 415 1018)。它们仅考虑了垂直力,因为腿上的水平力几乎平衡。使用牛顿的第一法,它们计算了两条腿中所需的最低肌肉质量,占体质量总量的百分比:43%。 “我们不得不估计不同肌肉团体的时刻武器,这些肌肉群在肢体的每个关节周围缠绕重力,”哈钦森说(图1)。

Two schematic images of a side-on Tyrannosaurus rex. In each, five black lines, at angles to each other, run along the leg and foot. In (a), angles either between these lines, or with the horizontal, are marked for the pelvis, hip, knee, ankle and toe. In (b), four of the lines are marked in their centres with weight arrows (Wb, Wt, Ws, Wm) pointing downwards, and an arrow marked GRF points upwards from the middle of the foot

在跑步时,动物的地面反作用力高于动物的重量,同时站立。 Hutchinson解释说:“当典型的人类冲刺时,您将垂直于两小时的体重或更长时间的垂直力量或更多小时[24 km / h]冲刺。一个非常好的短跑运动员可能必须维持体重的四个或五次[实现]更快的速度。“换句话说,更快的一个 T. Rex. 跑了,每个腿的负荷都必须承受,并限制其顶级速度。 “无论你是鱼类还是蝾螈或鸵鸟或大象,它很恒定,你可以摆脱行动的肌肉,以抵抗重力,”哈钦森说。 “当它在空缺地签约时,每平方米每平方米每平方米大约300克:不延长档位。”

由于肌肉在运行时进行合同,因此300 kn估计是一个慷慨的,提供了一个艰难的雷克斯可以推动的上限。哈钦森和他的同事们发现 - 根据他们的假设,例如将横向力量视为可忽略不计 - T. Rex. 可以达到约40公里/小时的顶级速度。吉普车的最高速度远远高于而且,它证明了追逐场景 侏罗纪公园 得到它:吉普车的乘客得到了安全的。

钉在尾巴

像大象一样,一些恐龙无法跑。相反,他们通过严重武装和装甲来补偿。例如, 斯托克劳斯 它的亲戚们用长喇叭覆盖的尖峰倾向于重尾。掠夺性恐龙的一个骨架 Allosaurus. 有一个严重愈合的伤害 斯托克劳斯 尾巴钉在它的骨头上。但要知道如何效果 斯托克劳斯 皇宫药店可能需要使用物理学。

Mallison,博物馆Fürnaturkunde,研究 凯龙龙,更小 斯托克劳斯 相对于坦桑尼亚,达到了1.53亿年前。博物馆有一个很大程度上 凯龙龙 骷髅,它在2005年重新组装以反映现代姿势研究。以前,它已被组装,如监视器蜥蜴,但正确的施工显示它具有正直,柱状的后腿和带状前腿。

Black-and-white computer-modelled image showing pelvic and hip bones, a long tail made up of individual bone segments and two spikes pointing out from the end of the tail. The tail is shown in four positions: straight, curved round to the left (so much that it looks like it could almost reach its own body) and two positions in between

在重新组装期间,博物馆激光扫描每根骨骼以创建3D数字文件。 Mallison使用这些用于在计算机辅助绘图(CAD)多体动态程序中构建动物的完整模型,该程序也用于体操运动员的运动医学(2010年 瑞士J. Geosci。 103 211)。 “[i]用真正的物理对象这样做,因为他们摔倒而脱落,”他说。 “如果你在电脑中做到了,嘿!没问题。”计算机建模的另一个优点是能够调整肌肉质量(如肌肉质量)的能力 T. Rex. 腿 - 告诉我们有多强烈 凯龙龙 可以鞭打它的尾巴,鞭打的惯性有多少(图2)。

Mallison将每个尾骨视为一个单独的质量体并将它们串联成一个整个尾部的模型,很多物理学家为各种系统构成多体机械模型。使用此模型,他估计尾骨之间的每个接头只能移动约4°,但关节在一起允许半圆形摇摆。 “尾部末端的重量为8公斤,所以他们可以转移的冲动真的很大,”他说。即使没有使用尾钉,它们也可以粉碎捕食者的肋骨。虽然它小于 斯托克劳斯,“凯龙龙 是一个棒球击球手。“

住在高处

飞行是古生物学家的另一个挑战。飞行恐龙 - 鸟类,即 - 可以通过大量的生活例子来理解(尽管我们对现代动物过渡到飞行的理解是有争议的)。翼龙不是非常鸟或蝙蝠样式,这意味着与现存动物的直接类似物对试图推断这些动物如何实现剥离和维持飞行的研究人员有限。

“[翼龙]有一个肌肉皮覆盖的翼,它在其巨大的第四根手指和身体之间伸展,”洛杉矶县自然历史博物馆的Habib说。 “那种翼可以产生非常高的升力系数。”

升力系数是翼尺寸和飞行速度的函数,我们都不知道。然而,Habib说:“保持高处的基本空气动力学技巧并非与任何其他动物不同的所有动物”。换句话说:翼是一定程度的机翼,无论是鸟还是悬挂的滑翔机。 “高升力系数有助于它们即使在大型飞行动物的低速时也会支持其重量,”Habib说。 “问题正在第一的地方。”

翼龙比鸟类或蝙蝠在空中发射到空中,因为在他们的翅膀和后腿上走上了地。 Habib和他的同事认为,这意味着他们也使用四肢跳进空气,“这使得比你刚刚用你的后肢更好的跳跃力量”。

Yellowed dinosaur skeleton on all four legs, with a small head and a long undulating spine that runs along the top of the skeleton from the head to the end of the tail. Symmetrical flat bones splay from the tail in the front half of the skeleton, with spikes instead in the back half

翼龙是一个多元化的团体,一些物种居住在内的内陆和其他人在海洋中狩猎鱼。不同的生活方式反映在他们的飞行能力中。翼膜不保留在许多标本中,所以我们没有精确的翼形状,但研究人员已经确定了一些非常长的瘦身翅膀,“像一个超级信天翁”,因为哈巴哈比尔把它放了。这些动物,如信天翁,在开阔的水中飙升。其他人有更短,更广泛的翅膀,这使得它们能够在高速时机操纵。

与鸟不同,翼龙可能会飞过翅膀向前飞行,这是一架罕见的飞机中仅仅看到的设计。这是因为翼龙头很大,在某些情况下,他们身体的长度几倍。巨人 Quetzalcoatlus.例如,与11米的翅膀的长颈鹿一样高,但它的身体长约75厘米。相比之下,它的头部约为3米。结果,“质量中心是肩部的一点前进,”Habib说。

Left: illustration of two large pterosaurs on all-fours, walking on their legs and wings. The creatures are depicted with spiked heads and blue beaks. Right: a pterosaur in flight. The beak, neck and body are each about the same length. The wings are much bigger – they each span about one and a half times the beak-to-body length

另一种类型的翼龙, 佩尔坦诺顿,在骷髅背面有一个长长的鼻子和一个长长的嵴,与许多亲戚相比,这令人印象深刻但看起来很驯服。有些人像老式电视天线一样有巨大的斧头或突起。但是,这些附属物仅基于物理模型对飞行的轻微影响。 “很多这些冠冕真的很大,但他们真的是平坦的一面,”Habib说。 “他们大部分增加了一堆拖拉,但不是一个别的别的,奇怪。”他们可能无法在飞行中转动头,但也没有大型现代鸟类,很容易看到为什么。 “这些是在与表面接触后致命的速度行驶的动物,所以最好看看你要去的地方。”

成功的故事

在迈出史前动物运动时,我们知道的几点令人着迷。例如,他们是如何睡觉的? “我们几乎没有关于[生活]动物躺下并站起来的任何东西,”哈钦森说。出于这个原因,他和他的同事一直在收集生活动物的数据,他们尚未发布。直到他们这样做,我们不会知道怎么样 T. Rex. 下降 - 除外很慢。

尽管恐龙的刻板印象作为失败,但它们和翼龙是非常成功的动物,主导地球超过1亿多年。没有进化的失败可能会忍受这一长,他们所生活的方式必须成为他们成功的秘密的一部分。灭绝动物的物理模型的荣耀是,通过细化和测试,研究人员可以填补我们知识的差距,以重建一些有史以来一生的最大和最有趣的生物。

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