مکانیک حرکت ماهی ها

مهندس جعفر سپهری هیات علمی دانشگاه جامع علمی کاربردی و مدرس دانشگاه آزاد اسلامی ایران
زهراپریسا زارعی کارشناس ارشد فیزیک دریا

ماهی چگونه حرکت می‌کند؟

بیشتر جانداران این توانایی را دارند که انواع مانورهای حرکتی را انجام دهند و همچنین می‌توانند بخشی و یا همه بدن خود را در وضعیت خاص تعادلی نگهدارند. حرکت و تعادل جانداران یک مسئله مهم مکانیکی است. جانداران دستگاه‌ها و ماشین‌هایی هستند که به کمک نیروهایی به حرکت درمی‌آیند و کار را انجام می‌دهند و ساختمان‌هایی هستند که تحت اثر نیروهای وارده در حالت تعادل قرار می‌گیرند. هر کدام از انواع جانوران دارای اعضاء و دستگاه‌هایی هستند که حرکت و تعادل آنها را امکان‌پذیر می‌سازد. برای نمونه جانوران زمینی مانند انسان و چهارپایان به کمک سیستم استخوان‌بندی و ماهیچه‌هاتوانایی انجام حرکات گوناگونی بر روی زمین را دارند. جانداران دریایی مانند ماهی‌ها و نهنگ‌ها دارای اعضایی مانند باله‌ها هستند و شکل عمومی آنها طوری است که برای شرایط دریایی و حرکت در آن مناسبت تمام دارد. در کل می‌توان چنین گفت که فرم ساختمانی و عملکرد هریک از انواع جانوران با شرایط محیطی آن جانور هماهنگی دارد و به عبارت مهندسی، جانوران ماشین‌هایی هستند که در طبیعت برای شرایط خاص محیطی خود و نیازهای حیاتی وابسته به آن طراحی و ساخته شده‌اند. همچنین ردیابی انواع جانوران در طی دوران گذشته این نتیجه را بدست داده است که از دیدگاه تکاملی نیز تغییرات فرمی جانوران در طول زمان همواره در جهتی صورت گرفته است که کارآیی مکانیکی آنها را به عنوان یک کاشین کامل افزایش بدهد. 

بررسی و مطالعه مربوط به حرکت و تعادل جانوران از دیدگاه مکانیکی دارای وجوه و مسائل مکانیکی مشترکی است که در مورد انواع جانوران یکسان است. علاوه بر آن حرکت و تعادل هریک از انواع جانوران از ویژگی‌هایی برخورداراست که ویژه آن جانور به‌خصوص است.

از دیدگاه مکانیکی (پویشی) ماهی‌ها چگونه حرکت می‌کنند؟ 

ماهیان، برحسب شکل، اندازه و چگونگی حرکت دارای انواع گوناگونی هستند. انواع گوناگون ماهی برای حرکت رو به جلو و انجام مانورهای حرکتی از بخشی و یا تمام بدن خود سود می‌جویند. اندام محرکه در ماهی‌ها دارای حرکت نوسانی است. به کمک همین حرکت نوسانی است که نیروی جلوبرنده ماهی تامین می‌شود. علاوه بر آن، ماهی‌ها دارای پرده‌های غضروفی به‌نام باله هستند که تعداد و اندازه آنها در ماهیان گوناگون متفاوت است. گذشته از آن، دارای دم‌های ارتجاعی و نیرومندی هستند. ماهی‌ها از باله‌ها، دم و یا تمامی بدن برای انجام حرکت در آب سود می‌جویند. برای نمونه حرکت مارماهی‌ها به‌کمک امواجی که در طول بدن آنها انتشار می‌یابد انجام می‌شود، ماهی قزل‌آلا از حرکات نوسانی باله‌ها برای حرکت خویش کمک می‌گیرد. در اره‌ماهی، باله به صورت نواری طویل در طول بدن قرار گرفته و حرکت موجی این باله به ماهی توانایی حرکت به پس‌و‌پیش را می‌دهد.

نه تنها انواع گوناگون ماهی از مکانیزم (سازوکار)های گوناگون برای شنا یهره می‌گیرند، بلکه حتی در یک ماهی خاص نیز مکانیزم‌های حرکتی در آغاز حرکت و در سرعت‌های گوناگون متفاوت است. از این روست که بیان فرضیه کلی مکانیکی توجیه‌پذیر حرکت ماهی دشوار است.

اما هدف تمامی این مکانیزم‌ها و مانورها، ختثی نمودن نیروی مقاوم در برابر حرکت روبه‌جلو، یا جهت دلخواه، و ایجاد شتاب مطلوب به بدن جانور است. نکته بسیار مهم در این است که این جانور از شاره (سیال) پیرامون خود، برای ایجاد نیروی محرکه کمک می‌گیرد. بدون وجود شاره پیرامون جانور، حرکت آن امکان‌پذیر نیست. همانند هواپیما و زیردریایی و برخلاف راکت و موشک که اندرکنش گاز خارج شده به صورت پیشرانه (جت) به بدنه جسم است که آن را می‌راند و برای حرکت نیازمند شاره‌ای پیرامون خویش نیست.

برخی از انواع ماهیان از حرکات موجی تمام بدن خویش در ایجاد نیروی تکیه‌گاهی و محرکه سود می‌جویند و بعضی به کمک حرکات باله‌ها و دم به این هدف می‌رسند.

در مکانیزم نوع نخست، حرکت موجی تمام بدن همچون مارماهی، جرکت موجی توسط ماهیچه‌های بدن جانور از سر ماهی آغاز شده به‌سوی دم انتشار می‌یابد. مکانیزم نوع دوم، ایجاد نیروی مجرکه به کمک باله و دم، انواع گوناگونی دارد. حرکت ماهی به دو نوع حرکت خمشی، درون دم حول محور عمود بر صفحه باله، و حرکت پیچشی، درون دم حول محور واقع در صفحه باله، تقسیم می‌شود. در بعضی ماهیان، این دو مکانیزم به صورت ترکیبی با یکدیگر به کار می‌روند. 

ماهی در مکانیزم حرکتی دم و باله‌ها با حرکت نوسانی باله‌ها و دم خود گردابه‌هایی ایجاد می‌نماید. از دیدگاه مکانیک شاره‌ها، این گردابه‌ها که در آب آرام ایجاد می‌شوند، نمایشگر میدان‌های سرعتی هستند که بخشی از آب را در حول محورهایی به‌دوران در می‌آورد. 

نتیجه حرکت آب نسبت به باله‌ها چنان است که نیروی جلوبرنده بر بدن ماهی اثر کرده، جانور را پیش می‌راند. ماهی با حرکت باله‌ها و دم، آب را چنان جابه‌جا می‌کند که نتیجه آن اعمال نیروی واکنشی از سوی آب به بدن ماهی، در جهت موردنظر است. 

نیروی محرکه حرکت ماهیان، از انرژی کششی که در ماهیچه‌ها ایجاد می‌شود تامین می‌گردد. از دیدگاه مکانیکی، در حرکت عادی، مقدار انرژی مفید تولیدی برابر است با حاصل‌ضرب سرعت ماهی در مقاومتی که آب پیرامون سطوح جانبی بدن ماهی اعمال می‌دارد. این مقاومت تا حد بسیار زیادی بستگی به آن دارد که جانور بتواند بدون ایجاد گردابه‌های غیر ضروری در آب حرکت نماید. این مقاومت بستگی به جهت حرکت و شکل هندسی بدن ماهی دارد. توان ماهیچه به نیروی کششی ایجاد شده در آن و سرعت انقباض ماهیچه ارتباط دارد و این توان برای مقدار خاصی از نیروی کششی و سرعت انقباض به بیشینه خود می‌رسد. سرعت حرکت بستگی به طول بدن، بسامد و ارتعاش دم ماهی دارد. هراندازه که طول بدن ماهی بلندتر باشد، بیشینه بسامد حرکت دم بیشتر شده و در نتیجه نسبت بیشینه سرعت به طول، با افزایش طول بدن کم می‌شود. در نتیجه در سرعت‌های برابر 8 تا 10 برابر طول جانور در ثانیه، تنها برای 6 ثانیه ادامه می‌یابد. سرعت‌های عادی (نیم‌متر‌در‌ثانیه) ماهیان کوچک (تا حدود 30 سانتی‌متر) برای مدت بیش از 20 ثانیه قابل تداوم هستند.