Может ли летучая мышь посылая сигнал частотой. Как ориентируются летучие мыши. Природоохранный статус Летучей мыши
Летучие мыши обычно живут огромными стаями в пещерах, в которых они прекрасно ориентируются в полной темноте. Влетая и вылетая из пещеры, каждая мышь издает неслышимые нами звуки. Одновременно эти звуки издают тысячи мышей, но это никак не мешает им прекрасно ориентироваться в пространстве в полной темноте и летать, не сталкиваясь друг с другом. Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей темноте, не натыкаясь на препятствия? Удивительное свойство этих ночных животных – умение ориентироваться в пространстве без помощи зрения – связано с их способностью испускать и улавливать ультразвуковые волны.
Оказалось, что во время полёта мышь излучает короткие сигналы на частоте около 80 кГц, а затем принимает отражённые эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых.
Для того, чтобы сигнал был препятствием отражён, наименьший линейный размер этого препятствия должен быть не меньше длины волны посылаемого звука. Использование ультразвука позволяет обнаружить предметы меньших размеров, чем можно было бы обнаружить, используя более низкие звуковые частоты. Кроме того, использование ультразвуковых сигналов связано с тем, что с уменьшением длины волны легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации.
Реагировать на тот или иной объект мышь начинает на расстоянии порядка 1 метра, при этом длительность посылаемых мышью ультразвуковых сигналов уменьшается примерно в 10 раз, а частота их следования увеличивается до 100–200 импульсов (щелчков) в секунду. То есть, заметив объект, мышь начинает щелкать более часто, а сами щелчки становятся более короткими. Наименьшее расстояние, которое мышь может определить таким образом, составляет примерно 5 см.
Во время сближения с объектом охоты летучая мышь как бы оценивает угол между направлением своей скорости и направлением на источник отражённого сигнала и изменяет направление полёта так, чтобы этот угол становился все меньше и меньше.
Может ли летучая мышь, посылая сигнал частотой 80 кГц, обнаружить мошку размером 1 мм? Скорость звука в воздухе принять равной 320 м/с. Ответ поясните.
Конец формы
Начало формы
Для ультразвуковой эхолокации мыши используют волны частотой
1) менее 20 Гц
2) от 20 Гц до 20 кГц
3) более 20 кГц
4) любой частоты
Конец формы
Начало формы
Умение великолепно ориентироваться в пространстве связано у летучих мышей с их способностью излучать и принимать
1) только инфразвуковые волны
2) только звуковые волны
3) только ультразвуковые волны
4) звуковые и ультразвуковые волны
Запись звука
Возможность записывать звуки и затем воспроизводить их была открыта в 1877 году американским изобретателем Т.А. Эдисоном. Благодаря возможности записывать и воспроизводить звуки появилось звуковое кино. Запись музыкальных произведений, рассказов и даже целых пьес на граммофонные или патефонные пластинки стала массовой формой звукозаписи.
На рисунке 1 дана упрощенная схема механического звукозаписывающего устройства. Звуковые волны от источника (певца, оркестра и т.д.) попадают в рупор 1, в котором закреплена тонкая упругая пластинка 2, называемая мембраной. Под действием звуковой волны мембрана колеблется. Колебания мембраны передаются связанному с ней резцу 3, острие которого чертит при этом на вращающемся диске 4 звуковую бороздку. Звуковая бороздка закручивается по спирали от края диска к его центру. На рисунке показан вид звуковых бороздок на пластинке, рассматриваемых через лупу.
Диск, на котором производится звукозапись, изготавливается из специального мягкого воскового материала. С этого воскового диска гальванопластическим способом снимают медную копию (клише). При этом используется осаждение на электроде чистой меди при прохождении электрического тока через раствор ее солей. Затем с медной копии делают оттиски на дисках из пластмассы. Так получают граммофонные пластинки.
При воспроизведении звука граммофонную пластинку ставят под иглу, связанную с мембраной граммофона, и приводят пластинку во вращение. Двигаясь по волнистой бороздке пластинки, конец иглы колеблется, вместе с ним колеблется и мембрана, причем эти колебания довольно точно воспроизводят записанный звук.
При механической записи звука используется камертон. При увеличении времени звучания камертона в 2 раза
1) длина звуковой бороздки увеличится в 2 раза
2) длина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза
3) глубина звуковой бороздки увеличится в 2 раза
4) глубина звуковой бороздки уменьшится в 2 раза
Конец формы
Поверхностное натяжение
В окружающем нас мире повседневных явлений действует сила, на которую обычно не обращают внимания. Сила эта сравнительно невелика, её действие не вызывает мощных эффектов. Тем не менее, мы не можем налить воду в стакан, вообще ничего не можем проделать с той или иной жидкостью без того, чтобы не привести в действие силы, которые называются силами поверхностного натяжения.Эти силы в природе и в нашей жизни играют немалую роль. Без них мы не могли бы писать перьевой ручкой, из неё сразу вылились бы все чернила. Нельзя было бы намылить руки, поскольку пена не смогла бы образоваться. Слабый дождик промочил бы нас насквозь. Нарушился бы водный режим почвы, что оказалось бы гибельным для растений. Пострадали бы важные функции нашего организма.
Проще всего уловить характер сил поверхностного натяжения у плохо закрытого или неисправного водопроводного крана. Капля растёт постепенно, со временем образуется сужение – шейка, и капля отрывается.
Вода оказывается как бы заключённой в эластичный мешочек, и этот мешочек разрывается, когда сила тяжести превысит его прочность. В действительности, конечно, ничего, кроме воды, в капле нет, но сам поверхностный слой воды ведёт себя как растянутая эластичная плёнка.
Такое же впечатление производит плёнка мыльного пузыря. Она похожа на тонкую растянутую резину детского шарика. Если осторожно положить иглу на поверхность воды, то поверхностная плёнка прогнётся и не даст игле утонуть. По этой же причине водомерки могут скользить по поверхности воды, не проваливаясь в неё.
В своём стремлении сократиться поверхностная плёнка придавала бы жидкости сферическую форму, если бы не тяжесть. Чем меньше капелька, тем большую роль играют силы поверхностного натяжения по сравнению с силой тяжести. Поэтому маленькие капельки близки по форме к шару. При свободном падении возникает состояние невесомости, и поэтому дождевые капли почти строго шарообразны. Из-за преломления солнечных лучей в этих каплях возникает радуга.
Причиной поверхностного натяжения является межмолекулярное взаимодействие. Молекулы жидкости взаимодействуют между собой сильнее, чем молекулы жидкости и молекулы воздуха, поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости стремятся сблизиться друг с другом и погрузиться вглубь жидкости. Это позволяет жидкости принимать форму, при которой число молекул на поверхности было бы минимальным, а минимальную поверхность при данном объёме имеет шар. Поверхность жидкости сокращается, и это приводит к поверхностному натяжению.
Все знают, что летучие мыши используют эхолокацию для перемещения. Даже пятилетние дети это знают. На сегодняшний день мы знаем, что эта способность не является уникальной для летучих мышей. Дельфины, киты, некоторые птицы и даже мыши тоже используют эхолокацию. Однако до недавнего времени мы не имели ни малейшего представления о том, насколько сложными и мощными на самом деле являются голоса летучих мышей. Учёные обнаружили, что эти уникальные существа используют свою странную вокализацию всевозможными поразительными способами. Ночь наполнена стрекотанием и писком этих воздушных охотников, и мы лишь только начинаем познавать все их секреты. Если вы считаете, что щелчки и свист дельфинов поразительны, то приготовьтесь узнать о настоящих мастерах звука.
10. Летучих мышей невозможно обмануть
Когда-то считалось, что летучие мыши могут замечать лишь двигающихся насекомых. На самом деле, некоторые мотыльки замирают, когда они слышат приближение летучей мыши. Судя по всему, большеухий листонос из южной Америки не знает об этом. Исследование показало, что они могут замечать спящих стрекоз, которые вообще не двигаются. Большеухая летучая мышь «окутывает звуком» цель при помощи постоянного потока эхолокации. За три секунды они могут определить съедобна ли выбранная ими цель. Таким образом, летучая мышь может полакомиться спящим насекомым, которое, по всей видимости, не слышит того, как на него кричит .
Естественно, учёные изначально считали это всё невозможным. Не было никакого повода предполагать, что эхолокация летучих мышей настолько чувствительна, что способна определять различные формы. Они подытожили это следующим образом: «Активное восприятие не издающей никаких звуков и не двигающейся добычи в густой растительности подлеска считалось невозможным». Тем не менее, большеухому листоносу это удаётся.
Чтобы ещё больше ввести учёных в замешательство, большеухий листонос также может отличить настоящую стрекозу от искусственной. Учёные протестировали летучих мышей, поставив настоящих стрекоз и искусственных, которые были сделаны из бумаги и фольги. Несмотря на то, что изначально все летучие мыши заинтересовались и подделками, ни одна из них не укусила искусственную стрекозу. Эти летучие мыши могут определить не только форму предмета при помощи эхолокации, но и услышать разницу в материале, из которого сделан этот предмет.
9. Летучие мыши определяют местонахождение растений с помощью эхолокации
Фотография: Ганса Хиллеваерта (Hans Hillewaert)
Огромное количество летучих мышей питается исключительно фруктами, однако на поиски пищи они вылетают только ночью. Так как же они находят еду в темноте? Учёные изначально считали, что они находят цель с помощью своего носа. Это происходит потому, что было бы довольно сложно при помощи одной лишь эхолокации отсортировать различные формы растений в густом листовом покрове. Теоретически, всё было бы как будто в тумане.
Конечно, вполне возможно, что летучие мыши видят насекомых на деревьях, но никто и подумать не мог, что эти крылатые грызуны могут использовать звук для определения типа растения (кстати, летучие мыши - это не грызуны). Тем не менее, летучие мыши подсемейства листоносых, известного как Glossophagine, могут делать именно это. Они находят свои любимые растения при помощи одного лишь звука. Учёные не имеют ни малейшего представления о том, как они совершают этот подвиг. «Эхо, создаваемое растениями, является очень сложными сигналами, отражающимися от множества листьев этого растения». Другими словами – это невероятно сложно. Однако у этих летучих мышей нет никаких проблем с использованием этого метода. Они определяют местонахождение цветов и фруктов без каких-либо проблем. У некоторых растений даже листья обладают формой спутниковых тарелок специально для привлечения летучих мышей. И опять-таки летучие мыши доказывают то, что нам ещё предстоит многое узнать о звуке.
8. Высокая частота
Ультразвуковой щебет летучей мыши может быть довольно высоким. Человек слышит звуки в диапазоне от 20 герц до 20 килогерц, что довольно хорошо. К примеру, самый лучший певец с голосом сопрано может достичь лишь ноты на частоте приблизительно в 1,76 килогерц. Большинство летучих мышей могут щебетать в диапазоне от 12 до 160 килогерц, что сравнимо с дельфинами.
Светлый украшенный гладконос издаёт самый высокочастотный звук из всех животных в мире. Их диапазон начинается с 235 килогерц, что намного выше частоты, которую способны услышать люди, и заканчивается на отметке в 250 килогерц. Это маленькое пушистое млекопитающее может издавать звуки, которые в 120 раз выше, чем голос самого лучшего певца в мире. Зачем же им нужно настолько мощное аудио оборудование? Учёные считают, что эти высокие частоты «значительно концентрируют сонар этого вида летучих мышей и уменьшают его дальность». В густых джунглях, где обитают эти летучие мыши, такая эхолокация может давать им преимущество в обнаружении насекомых среди всего шелеста листьев и веток. Этот вид может сфокусировать свою эхолокацию, как не может ни один другой вид.
7. Суперуши
Остроконечные уши летучих мышей никогда не получают достаточно внимания. Все интересуются лишь самим звуком, а не приёмным устройством. Поэтому инженерный отдел Политехнического университета Виргинии (Virginia Tech), наконец-то, изучил уши летучих мышей. Изначально никто не верил в то, что они обнаружили. За одну десятую секунды (100 миллисекунд) одна из этих летучих мышей может «значительно изменить свою форму уха так, чтобы оно воспринимало различные звуковые частоты». Насколько это быстро? У человека уходит в три раза больше времени на то, чтобы моргнуть, чем у подковоносой летучей мыши на то, чтобы изменить форму своего уха так, чтобы настроиться на восприятие специфических эхо».
Уши летучих мышей являются суперантеннами. Они могут не только двигать своими ушами на молниеносных скоростях, но также могут «обрабатывать перекрывающие друг друга эхо, поступающие с разницей всего лишь в 2 миллионных секунды. Они также могут различать предметы, находящиеся всего в 0,3 миллиметра друг от друга». Для того, чтобы вам было легче это себе представить – ширина человеческого волоса равна 0,3 миллиметра. Поэтому совсем неудивительно, что военно-морские силы изучают летучих мышей. Их биологический сонар намного лучше любой технологии, изобретённой человеком.
6. Летучие мыши узнают своих друзей
Как и у людей у летучих мышей есть лучшие друзья, с которыми они любят общаться. Каждый день, когда сотни летучих мышей в колонии готовятся ко сну, они распределяются на одни и те же социальные группки снова и снова. Как же они находят друг друга в такой огромной толпе? Конечно же, при помощи крика.
Исследователи обнаружили, что летучие мыши могут узнать индивидуальные крики представителей своей социальной группы. У каждой летучей мыши есть «особенная вокализация, которая обладает индивидуальным акустическим образом». Звучит так, будто у летучих мышей есть свои имена. Эти уникальные индивидуальные акустические образы считаются приветствиями. Когда друзья встречаются, они нюхают подмышки друг друга – ведь ничто так не укрепляет дружбу как вдыхание аромата подмышек летучих мышей.
Ещё одним способом, при помощи которого летучие мыши передают индивидуальные сигналы, является охота за пищей. Когда множество летучих мышей охотятся в одной и той же области, они издают сигнал о нахождении добычи, который слышат остальные. Целью этого сигнала является своего рода заявление: «Эй, этот жук мой!». Удивительно, но эти крики при нахождении пищи также являются уникальными для каждой особи, поэтому, когда одна летучая мышь из целой стаи кричит «Моё!», все остальные летучие мыши в колонии знают, кто нашёл себе еду.
5. Телефонная система
Колонии мадагаскарских присосконогов являются кочевыми и постоянно движутся с места на место, чтобы избежать хищников. Они спят в свёрнутых листьях геликонии и калатеи, каждый из которых может вместить несколько маленьких летучих мышей. Так как же эти снующие пушистые шарики общаются с остальной колонией, если они расселяются по всему лесу? Они используют природную систему громкоговорящей связи, чтобы переговариваться со своими друзьями.
Воронки из листьев помогают усилить крики летучих мышей, находящихся внутри на целых две децибелы. Листья также отлично направляют звук. Исследования показывают, что летучие мыши, которые уже находились в своих платках из листьев, издавали особый звук, чтобы помочь своим друзьям их найти. Летучие мыши снаружи отвечали криком, играя в своего рода игру Марко Поло, пока не находили своих сородичей. Обычно у них не было никаких проблем с тем, чтобы найти правильный насест.
Листья ещё лучше работают в плане усиления звука входящих криков, увеличивая их громкость на целых 10 децибел. Это всё равно, что жить внутри мегафона.
4. Шумные крылья
Не все летучие мыши обладают развитой вокализацией. На самом деле, большинство видов крылановых не обладает способностью создавать те же щелчки и писки, которые большинство остальных видов летучих мышей используют для эхолокации. Тем не менее, это не означает, что они не могут передвигаться по местности в ночное время. Недавно было обнаружено, что многие виды крылановых могут ориентироваться в пространстве при помощи хлопающих звуков, которые они издают своими крыльями. На самом деле исследователи настолько поражены этим открытием, что они провели множество тестов только лишь для того, чтобы убедиться в том, что эти звуки не исходят из ртов этих летучих мышей. Они даже зашли настолько далеко, что заклеили рты летучих мышей и ввели анестетик им в языки. Эти мыши с заклеенным скотчем ртом и уколом лидокаина в язык были подвергнуты таким пыткам только для того, чтобы учёные могли на 100 процентов убедиться в том, что летучие мыши не обманывали их, используя свой рот.
Так как же эти летучие мыши используют свои крылья для создания звуков, используемых ими для эхолокации? Хотите – верьте, хотите – нет, но никто ещё этого не понял. Одновременное летание и хлопанье является секретом, который эти умные млекопитающие не хотят выдавать. Тем не менее, это является первым открытием использования звуков, не производимых голосом, для навигации и учёные этому очень рады.
3. Зрение шёпотом
Фотография: Райан Сомма (Ryan Somma)
Исходя из того, что летучие мыши находят свою добычу с помощью эхолокации, некоторые животные, например мотыльки, развили способность определять эхолокацию летучих мышей. Это является ярким примером классической эволюционной битвы между хищником и добычей. Хищник развивает у себя оружие, его потенциальная добыча находит способ противодействовать ему. Многие мотыльки падают на землю и находятся в неподвижном состоянии, когда они слышат приближение летучей мыши.
Землеройкообразный длинноязыкий вампир нашёл способ обойти чувствительный слух мотыльков. Учёные были удивлены, обнаружив, что эти летучие мыши питались почти исключительно мотыльками, которые должны были слышать их приближение. Так как же они ловят свою добычу? Землеройкообразный длинноязыкий вампир использует более тихую форму эхолокации, которую не могут определить мотыльки. Вместо эхолокации они используют «шёпотолокацию». Они используют эквивалент незаметности летучей мыши, чтобы хватать ничего не подозревающих мотыльков. Исследование ещё одного вида летучих мышей, использующих шёпот, под названием европейская широкоушка или курносый ушан, показало, что вокализация этого вида летучих мышей в 100 раз тише, чем у остальных видов.
2. Самый быстрый рот из всех
Существуют обычные, ничем не примечательные мышцы, но есть и те, которые можно охарактеризовать только как супер мышцы. Гремучие змеи обладают экстремальными мышцами хвоста, которые позволяют им греметь кончиком хвоста с невероятной скоростью. Плавательный пузырь иглобрюха является самой быстросокращающейся мышцей среди всех позвоночных. Если говорить о млекопитающих, то нет более скоростной мышцы, чем глотка летучей мыши. Она может сокращаться со скоростью 200 раз в минуту. Это в 100 раз быстрее, чем вы можете моргнуть. С каждым сокращением производится звук.
Учёные задумались над тем, каков верхний предел эхолокатора летучих мышей. Исходя из того, что эхо возвращается к летучей мыши всего за одну миллисекунду, их крики начинают перекрывать друг друга на скорости 400 эхо в минуту. Исследования показали, что они могут слышать до 400 эхо в секунду, поэтому их останавливает только гортань.
В теории, вполне возможно, что существуют , которые способны побить этот рекорд. Ни одно из известных науке млекопитающих не обладает мышцами, которые способны двигаться настолько быстро. Причина, по которой они могут совершать эти поразительные звуковые подвиги, заключается в том, что у них на самом деле больше митохондрий (батареек тела), а также переносящих кальций белков. Это даёт им больше мощи и позволяет их мышцам сокращаться гораздо чаще. Их мышцы буквально супер заряжены.
1. Летучие мыши рыбачат
Некоторые летучие мыши охотятся на рыбу. Это кажется совершенно нелепым, ведь эхолокация не проходит через воду. Она отражается от неё как мяч, ударяющийся о стену. Так как же летучие мыши, питающиеся рыбой, это делают? Их эхолокация настолько чувствительна, что они могут определить рябь на поверхности воды, которая выдаёт рыб, плавающих прямо у поверхности воды. Летучая мышь на самом деле не видит рыбу. Их эхолокация никогда не достигает самой добычи. Они находят рыбу, плавающую у поверхности воды считывая всплески воды на поверхности с помощью звука. Это просто потрясающая способность.
Оказывается, некоторые летучие мыши используют ту же технику для поимки лягушек. Если лягушка, сидящая в воде, видит летучую мышь, она замирает. Но её выдаёт рябь, расходящаяся по воде от её тела. Ещё одним интересным фактом о летучих мышах и воде является то, что с самого рождения они запрограммированы считать, что любая акустически гладкая поверхность является водой и они спускаются на неё, чтобы попить. По-видимому, если поставить большую гладкую пластину посреди джунглей, молодые летучие мыши будут нырять в неё мордой вниз, в попытке утолить жажду. Поэтому, с одной стороны, эхолокация летучих мышей настолько чувствительна, что они могут считывать поверхность озера как книгу. С другой стороны, молодые летучие мыши не могут отличить подноса от лужи.
Бабочка медведица Bertholdia trigona - единственное известное в природе животное, способное защищаться от летучих мышей путем глушения их локационных сигналов.Мыши не могут научиться ловить этот вид медведиц, издающий характерные ультразвуковые щелчки. Однако как именно действуют щелчки бабочек B. trigona на летучих мышей, было неизвестно. Американские биологи поставили поведенческие эксперименты, в которых они проверяли три возможных механизма. Оказалось, что сигналы, издаваемые B. trigona , уменьшают точность, с которой летучая мышь определяет расстояния до нее. В результате издаваемых бабочкой щелчков летучая мышь меняет характер своих сигналов, что еще более затрудняет возможность поймать бабочку. Авторы считают, что такое поведение B. trigona могло возникнуть из более древнего способа защиты, известного у некоторых бабочек, - когда акустическая сигнализация сопровождается выделением химических веществ, отпугивающих хищника.
Летучие мыши и ночные бабочки соревнуются в эволюционной гонке по крайней мере в течение 50 миллионов лет. В процессе этой борьбы бабочки выработали достаточно простую конструкцию слуховых органов , которая способствует быстрому предупреждению о приближающейся опасности и запуску реакции избегания хищника. Бабочки из семейства медведиц , или Arctiidae, кроме того, способны издавать ультразвуковые щелчки, причем разные виды делают это по-разному. Многие из них издают щелчки достаточно редко, но акустический сигнал сопровождается выделением пахучих веществ, которые отпугивают летучих мышей. Другие виды научились подражать этим несъедобным бабочкам, щелкая и не выделяя никаких запахов (Barber, Conner, 2007). Еще один из способов защиты - щелканье в целях испугать неопытную летучую мышь. Этот способ, однако, не очень надежен, так как мыши учатся и через несколько попыток перестают обращать внимание на щелканье бабочки.
Недавно американские ученые из Университета Уэйк-Фореста показали, что один вид медведиц, Bertholdia trigona, может издавать частые ультразвуковые сигналы, которые глушат эхолокационные сигналы летучих мышей (Corcoran et al., 2009). Замечательно, что летучие мыши не способны научиться бороться с этой преградой: после многочисленных попыток мыши так и не удается поймать бабочку. Теперь те же авторы поставили задачу выяснить механизм, с помощью которого B. trigona так умело защищает себя (Corcoran et al., 2011). Они предложили три гипотезы.
Согласно первой - гипотезе иллюзорного эха , - летучая мышь может путать сигналы бабочки с эхом собственного сигнала от объекта, которого не существует. В этом случае мышь должна менять траекторию полета, улетая от несуществующего объекта. Согласно второй - гипотезе дистанционной помехи , - сигналы, издаваемые бабочкой, могут уменьшать точность определения летучей мышью расстояния до жертвы. Это может происходить в том случае, если щелчки бабочки опережают эхо от собственного сигнала летучей мыши. Наконец, согласно третьей - гипотезе маскировки , - сигналы бабочки могут полностью маскировать ее, и она оказывается «невидимой» для летучей мыши.
Поведение летучей мыши в эксперименте может показать, какая гипотеза правильная. Мышь либо будет менять траекторию полета, либо будет пытаться поймать бабочку и промахиваться, либо не будет воспринимать бабочку вообще и будет продолжать полет.
Поведенческие эксперименты проводили в течение семи ночей в звуконепроницаемой комнате размером 5,8×4,0×3,0 м. В экспериментах использовали широко распространенного в Америке бурого кожана, Eptesicus fuscus, относящегося к семейству гладконосых летучих мышей . Эксперименты проводили на трех особях E. fuscus .
Предварительно было показано, что все три мыши охотно ели исследуемый вид медведиц в том случае, если бабочки не издавали звуков (отсутствие акустических сигналов было зафиксировано у 22% бабочек). Перед каждым экспериментом проверяли, насколько надежно мышь ловит контрольных бабочек, не издающих сигналов. В качестве контроля использовали Galleria melonella . После этого каждую ночь 16 бабочек (4 - B. trigona , 4 - другие виды медведиц, не издающие звук, 8 - G. melonella ) в случайном порядке предъявляли одной летучей мыши. Бабочки были закреплены на нити длиной 60 см. Мышь могла атаковать бабочку несколько раз, но для анализа учитывали только первую атаку.
Все эксперименты записывались на две скоростные видеокамеры (250 кадров в секунду). Эти записи анализировали с помощью компьютерной программы (MATLAB), которая позволяла посчитать трехмерные координаты объектов в поле зрения камер. В итоге рассчитывали вектор полета, минимальное расстояние между мышью и бабочкой и вектор от мыши к бабочке в каждый момент каждого взаимодействия. Угол φ определяли как угловое отклонение между вектором полета мыши и вектором между мышью и бабочкой (рис. 1).
Бабочки B. trigona , как и остальные медведицы, издают щелчки так называемыми тимбальными органами (см. Tymbal). Эти органы хорошо исследованы у певчих цикад, но у бабочек они имеют несколько иное строение. На тимбальных склеритах у медведиц имеются бороздки, которые позволяют им генерировать щелчки с высокой частотой. Серии щелчков генерируются как при активном изгибании тимбального склерита внутрь (active cycle), так и при пассивном возвращении склерита (passive cycle, рис. 2). Средний интервал между щелчками B. trigona , равный 325 мкс, оказывается меньше, чем разрешающая способность уха летучей мыши (400 мкс), поэтому вся серия щелчков воспринимается мышью как непрерывный звук. На рис. 2 также видно, что частотный спектр сигнала бабочки удивительным образом имитирует спектр сигнала летучей мыши.
В поведенческих экспериментах авторы наблюдали три типа поведения летучих мышей. Во-первых, прямую атаку, когда мышь подлетала и пыталась схватить бабочку (рис. 3А); во-вторых, атаку близкого действия, когда мышь не пыталась схватить бабочку, но продолжала атаку после того, как бабочка начинала щелкать (рис. 3В); в-третьих, избегание, когда мышь прекращала атаку вскоре после начала щелканья бабочки и также не пыталась ее схватить (рис. 3С). Три типа поведения различались по величине угла φ (рис. 3D–F). В случае прямой атаки значения φ не превышали доверительного интервала контрольных атак. При атаке близкого действия значения φ уменьшались или были постоянны после начала щелканья бабочки, но под конец следовал сильный скачок, превышающий доверительный интервал. При избегании значения φ начинали расти сразу после того, как бабочка начинала щелкать.
Эхолокационные сигналы мыши также различались во всех трех случаях (рис. 3G–I). В случае прямой атаки сигнал заканчивался типичной трелью, которая всегда присутствовала в атаках на контрольную бабочку (рис. 3G, 4А). Интервал между щелчками мыши был в среднем 6 мс. В атаке близкого действия доминировали обычные щелчки, следующие с интервалом 10–40 мс, которые обычно издаются мышами в поисковом поведении. Если трель и производилась, то очень короткая (рис. 3H, 4В). При избегании мышь начинала издавать редкие щелчки вскоре после того, как бабочка начинала щелкать, и вообще не издавала трели (рис. 4С).
Опыт летучей мыши в экспериментах имел большое значение. Поведение избегания преобладало в течение двух первых ночей (рис. 5), тогда как с 3-й по 7-ю ночь доминировали атаки близкого действия. Это говорит о том, что вначале мыши пугались щелкающих бабочек, но потом привыкали. Тем не менее, только 30% атак заканчивались успешно, и атаки были успешны лишь в тех случаях, когда бабочки мало щелкали. Это подтверждает сделанное авторами предположение, что щелчки бабочки эффективны для глушения сигналов мышей только в том случае, если они генерируются с высокой частотой. В атаках близкого действия мышь промахивалась в среднем на 16 см.
Эти результаты, по мнению авторов, соответствуют предсказаниям гипотезы дистанционной помехи. Низкий процент избеганий в течение 3–7 ночей говорит о том, что мыши не пытаются уклоняться от иллюзорных помех. Приближение мыши к бабочке на относительно короткое расстояние и попытки атак показывают, что бабочка не полностью маскируется, а следовательно, гипотезу маскировки также можно отклонить.
Известно, что, когда летучая мышь приближается к своей жертве, интервалы между щелчками, длительность и интенсивность сигнала уменьшаются. Эти изменения в сигнализации мыши чрезвычайно адаптивны. Высокая частота щелчков позволяет мыши быстро обновлять свою «локационную информацию», тогда как малая длительность сигнала предотвращает перекрывание сигнала и эха, которое начинает приходить быстрее по мере приближения к жертве. В экспериментах с B. trigona авторы наблюдали обратную ситуацию: длительность сигналов и интервалы между щелчками E. fuscus увеличивались. Такая реакция мыши должна еще более осложнять нахождение потенциальной жертвы. Авторы сравнивают это поведение с поведением других млекопитающих, которые таким же образом меняет свой сигнал в условиях высокого шума. Показано, что в этом случае улучшается распознавание сигналов.
Считается, что исходно медведицы генерировали редкие щелчки для рассеивания химических веществ с целью предупреждения о своей несъедобности. Очевидно, что эволюция акустической сигнализации у бабочек шла по пути совершенствования звуковых органов, в частности развития бороздок на тимбальной мембране и поочередной активации тимбалов, что позволило им генерировать щелчки с высокой частотой. В результате некоторые виды (а авторы верят, что B. trigona - не единственный вид бабочки, способный глушить сигналы летучих мышей) выработали такой замечательный способ защиты от достаточно изощренного хищника.
Летучие мыши обычно живут огромными стаями в пещерах, в которых они прекрасно
ориентируются в полной темноте. Влетая и вылетая из пещеры, каждая мышь издает
неслышимые нами звуки. Одновременно эти звуки издают тысячи мышей, но это никак не
мешает им прекрасно ориентироваться в пространстве в полной темноте и летать, не
сталкиваясь друг с другом. Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей
темноте, не натыкаясь на препятствия? Удивительное свойство этих ночных животных –
умение ориентироваться в пространстве без помощи зрения – связано с их способностью
испускать и улавливать ультразвуковые волны.
Оказалось, что во время полёта мышь излучает короткие сигналы на частоте около 80
кГц, а затем принимает отражённые эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших
препятствий и от пролетающих вблизи насекомых.
Для того, чтобы сигнал был препятствием отражён, наименьший линейный размер
этого препятствия должен быть не меньше длины волны посылаемого звука.
Использование ультразвука позволяет обнаружить предметы меньших размеров, чем
можно было бы обнаружить, используя более низкие звуковые частоты. Кроме того,
использование ультразвуковых сигналов связано с тем, что с уменьшением длины волны
легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации.
Реагировать на тот или иной объект мышь начинает на расстоянии порядка 1 метра,
при этом длительность посылаемых мышью ультразвуковых сигналов уменьшается
примерно в 10 раз, а частота их следования увеличивается до 100–200 импульсов
(щелчков) в секунду. То есть, заметив объект, мышь начинает щелкать более часто, а
сами щелчки становятся более короткими. Наименьшее расстояние, которое мышь может
определить таким образом, составляет примерно 5 см.
Во время сближения с объектом охоты летучая мышь как бы оценивает угол между
направлением своей скорости и направлением на источник отражённого сигнала и
изменяет направление полёта так, чтобы этот угол становился все меньше и меньше.
Может ли летучая мышь, посылая сигнал частотой 80 кГц, обнаружить мошку размером
1 мм? Скорость звука в воздухе принять равной 320 м/с. Ответ поясните.
Для ультразвуковой эхолокации мыши используют волны частотой
1) менее 20 Гц 3) более 20 кГц
2) от 20 Гц до 20 кГц 4) любой частоты
Умение великолепно ориентироваться в пространстве связано у летучих мышей с их
Слух дельфинов
У дельфинов есть удивительная способность ориентироваться в морских глубинах. Эта способность связана с тем, что дельфины могут издавать и принимать сигналы ультразвуковых частот, главным образом от 80 кГц до 100 кГц. При этом мощность сигнала достаточна, чтобы обнаружить косяк рыбы на расстоянии до километра. Сигналы, посылаемые дельфином, представляют собой последовательность коротких импульсов, имеющих длительность порядка 0,01–0,1 мс.
Для того, чтобы сигнал был препятствием отражён, линейный размер этого препятствия должен быть не меньше длины волны посылаемого звука. Использование ультразвука позволяет обнаружить предметы меньших размеров, чем можно было бы обнаружить, используя более низкие звуковые частоты. Кроме того, использование ультразвуковых сигналов связано с тем, что ультразвуковая волна имеет острую направленность излучения, что очень важно для эхолокации, и намного медленнее затухает при распространении в воде.
Дельфин также способен воспринимать очень слабые отражённые сигналы звуковой частоты. Например, он прекрасно замечает маленькую рыбку, появившуюся сбоку на расстоянии 50 м.
Можно сказать, что дельфин обладает двумя типами слуха: он может направленно, вперёд, посылать и принимать ультразвуковой сигнал и может воспринимать обычные звуки, приходящие со всех сторон.
Для принятия остро направленных ультразвуковых сигналов у дельфина имеется вытянутая вперёд нижняя челюсть, по которой волны эхо-сигнала поступают к уху. А для принятия звуковых волн относительно низких частот, от 1кГц до 10 кГц, по бокам головы дельфина, где когда-то у далеких предков дельфинов, живших на суше, были обыкновенные уши, имеются наружные слуховые отверстия, которые почти заросли, однако звуки они пропускают прекрасно.
Может ли дельфин, обнаружить маленькую рыбку размером 15 см сбоку от себя? Скорость
звука в воде принять равной 1500 м/с. Ответ поясните.
Умение великолепно ориентироваться в пространстве связано у дельфинов с их
способностью излучать и принимать
1) только инфразвуковые волны 3) только ультразвуковые волны
2) только звуковые волны 4) звуковые и ультразвуковые волны
Для эхолокации дельфин использует
1) только инфразвуковые волны 3) только ультразвуковые волны
2) только звуковые волны 4) звуковые и ультразвуковые волны
Сейсмические волны
При землетрясении или крупном взрыве в коре и толще Земли возникают механические
волны, которые называются сейсмическими. Эти волны распространяются в Земле и
могут быть зарегистрированы при помощи специальных приборов – сейсмографов.
Действие сейсмографа основано на том принципе, что груз свободно подвешенного
маятника при землетрясении остаётся практически неподвижным относительно Земли. На
рисунке представлена схема сейсмографа. Маятник подвешен к стойке, прочно
закреплённой в грунте, и соединен с пером, чертящим непрерывную линию на бумажной
ленте равномерно вращающегося барабана. При колебаниях почвы стойка с барабаном
также приходят в колебательное движение, и на бумаге появляется график волнового
движения.
Различают несколько типов сейсмических волн, из них для изучения внутреннего
строения Земли наиболее важны продольная волна P и поперечная волна S.
Продольная волна характеризуется тем, что колебания частиц происходят в направлении
распространения волны; эти волны возникают и в твёрдых телах, и в жидкостях, и в газах.
Поперечные механические волны не распространяются ни в жидкостях, ни в газах.
Скорость распространения продольной волны примерно в 2 раза превышает скорость
распространения поперечной волны и составляет несколько километров в секунду. Когда
волны P и S проходят через среду, плотность и состав которой изменяются, то скорости
волн также меняются, что проявляется в преломлении волн. В более плотных слоях
Земли скорость волн возрастает. Характер преломления сейсмических волн позволяет
исследовать внутреннее строение Земли.
Какое(-ие) утверждение(-я) справедливо(-ы)?
А. При землетрясении груз маятника сейсмографа совершает колебания относительно
поверхности Земли.
Б. Сейсмограф, установленный на некотором расстоянии от эпицентра землетрясения,
сначала зафиксирует сейсмическую волну P, а затем волну S.
Сейсмическая волна P является
1) механической продольной волной 3) радиоволной
2) механической поперечной волной 4) световой волной
На рисунке представлены графики зависимости скоростей сейсмических волн от глубины погружения в недра Земли. График для какой из волн (P или S ) указывает на то, что ядро Земли находится не в твёрдом состоянии? Ответ поясните.
Анализ звука
При помощи наборов акустических резонаторов можно установить, какие тоны входят в состав данного звука и каковы их амплитуды. Такое установление спектра сложного звука называется его гармоническим анализом.
Раньше анализ звука выполнялся с помощью резонаторов, представляющих собой полые шары разного размера, имеющих открытый отросток, вставляемый в ухо, и отверстие с противоположной стороны. Для анализа звука существенно, что всякий раз, когда в анализируемом звуке содержится тон, частота которого равна частоте резонатора, последний начинает громко звучать в этом тоне.
Такие способы анализа, однако, очень неточны и кропотливы. В настоящее время они вытеснены значительно более совершенными, точными и быстрыми электроакустическими методами. Суть их сводится к тому, что акустическое колебание сначала преобразуется в электрическое колебание с сохранением той же формы, а следовательно, имеющее тот же спектр, а затем это колебание анализируется электрическими методами.
Один из существенных результатов гармонического анализа касается звуков нашей речи. По тембру мы можем узнать голос человека. Но чем различаются звуковые колебания, когда один и тот же человек поёт на одной и той же ноте различные гласные? Другими словами, чем различаются в этих случаях периодические колебания воздуха, вызываемые голосовым аппаратом при разных положениях губ и языка и изменениях формы полости рта и глотки? Очевидно, в спектрах гласных должны быть какие-то особенности, характерные для каждого гласного звука, сверх тех особенностей, которые создают тембр голоса данного человека. Гармонический анализ гласных подтверждает это предположение, а именно: гласные звуки характеризуются наличием в их спектрах областей обертонов с большой амплитудой, причём эти области лежат для каждой гласной всегда на одних и тех же частотах независимо от высоты пропетого гласного звука.
Можно ли, используя спектр звуковых колебаний, отличить один гласный звук от другого? Ответ поясните.
Гармоническим анализом звука называют
А. установление числа тонов, входящих в состав сложного звука.
Б. установление частот и амплитуд тонов, входящих в состав сложного звука.
1) только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б
Какое физическое явление лежит в основе электроакустического метода анализа звука?
1) преобразование электрических колебаний в звуковые
2) разложение звуковых колебаний в спектр
3) резонанс
4) преобразование звуковых колебаний в электрические
Цунами
Цунами – это одно из наиболее мощных природных явлений – ряд морских волн длиной до 200 км, способных пересечь весь океан со скоростями до 900 км/ч. Наиболее частой причиной появления цунами следует считать землетрясения.
Амплитуда цунами, а значит, и её энергия зависят от силы подземных толчков, от того, насколько близко к поверхности дна находится эпицентр землетрясения, от глубины океана в данном районе. Длина волны цунами определяется площадью и рельефом дна океана, на котором произошло землетрясение.
В океане волны цунами не превышают по высоте 60 см – их даже трудно определить с корабля или самолёта. Но их длина практически всегда значительно больше глубины океана, в котором они распространяются.
Все цунами характеризуются большим запасом энергии, которую они несут, даже в сравнении с самыми мощными волнами, образующимися под действием ветра.
Вся жизнь волны цунами может быть разделена на четыре последовательных этапа:
1) зарождение волны;
2) движение по просторам океана;
3) взаимодействие волны с прибрежной зоной;
4) обрушивание гребня волны на береговую зону.
Чтобы разобраться в природе цунами, рассмотрим мяч, плавающий на воде. Когда под ним проходит гребень, он устремляется вместе с ним вперёд, однако тут же соскальзывает с него, отстаёт и, попадая в ложбину, движется назад, пока его не подхватит следующий гребень. Затем всё повторяется, но не полностью: всякий раз предмет немного смещается вперёд. В результате мяч описывает в вертикальной плоскости траекторию, близкую к окружности. Поэтому в волне частица поверхности воды участвует в двух движениях: движется по окружности некоторого радиуса, уменьшающегося с глубиной, и поступательно в горизонтальном направлении.
Наблюдения показали, что существует зависимость скорости распространения волн от соотношения длины волны и глубины водоёма.
Если длина образовавшейся волны меньше глубины водоёма, то в волновом движении принимает участие только поверхностный слой.
При длине волны в десятки километров для волн цунами все моря и океаны являются «мелкими», и в волновом движении принимает участие вся масса воды – от поверхности до дна. Трение о дно становится существенным. Нижние слои (придонные) сильно затормаживаются, не успевая за верхними слоями. Скорость распространения таких волн определяется только глубиной. Расчёт даёт формулу, по которой можно рассчитать скорость волн на «мелкой» воде: υ = √gH
Цунами бегут со скоростью, которая уменьшается с уменьшением глубины океана. Это означает, что их длина должна меняться при подходе к берегу.
Также при торможении придонных слоёв растёт амплитуда волн, т.е. увеличивается потенциальная энергия волны. Дело в том, что уменьшение скорости волны приводит к уменьшению кинетической энергии, и часть её превращается в потенциальную энергию. Другая часть уменьшения кинетической энергии тратится на преодоление силы трения и превращается во внутреннюю. Несмотря на такие потери, разрушительная сила цунами остаётся огромной, что, к сожалению, нам приходится периодически наблюдать в различных районах Земли.
Почему при подходе цунами к берегу растёт амплитуда волн?
1) скорость волны увеличивается, внутренняя энергия волны частично превращается в кинетическую энергию
2) скорость волны уменьшается, внутренняя энергия волны частично превращается в потенциальную энергию
3) скорость волны уменьшается, кинетическая энергия волны частично превращается в потенциальную энергию
4) скорость волны увеличивается, внутренняя энергия волны частично превращается в потенциальную энергию
Движения частицы воды в цунами являются
1) поперечными колебаниями
2) суммой поступательного и вращательного движения
3) продольными колебаниями
4) только поступательным движением
Что происходит с длиной волны цунами при подходе к берегу? Ответ поясните.
Слух человека
Самый низкий тон, воспринимаемый человеком с нормальным слухом, имеет частоту около 20 Гц. Верхний предел слухового восприятия сильно различается у разных людей. Особое значение здесь имеет возраст. В восемнадцать лет при безупречном слухе можно услышать звук до 20 кГц, но в среднем границы слышимости для любого возраста лежат в интервале 18 - 16 кГц. С возрастом чувствительность человеческого уха к высокочастотным звукам постепенно падает. На рисунке приведен график зависимости уровня восприятия звука от частоты для людей разного возраста.
Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно
особенно тонко реагирует на колебания средних частот (в области 4000 Гц). По мере
уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха
постепенно снижается.
Человеческое ухо не только различает звуки и их источники; оба уха, работая вместе,
способны довольно точно определять направление распространения звука. Поскольку
уши расположены с противоположных сторон головы, звуковые волны от источника
звука достигают их не одновременно и воздействуют с разным давлением. За счет
даже этой ничтожной разницы во времени и давлении мозг довольно точно определяет
направление источника звука.
Восприятие звуков различной громкости и частоты в 20-летнем и 60-летнем возрасте
Имеются два источника звуковой волны:
А. Звуковая волна частотой 100 Гц и громкостью 10 дБ.
Б. Звуковая волна частотой 1 кГц и громкостью 20 дБ.
Используя график, представленный на рисунке, определите, звук какого источника
будет услышан человеком.
1) только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б
Какие утверждения, сделанные на основании графика (см. рисунок), справедливы?
А. С возрастом чувствительность человеческого слуха к высокочастотным звукам
постепенно падает.
Б. Слух гораздо чувствительнее к звукам в области 4 кГц, чем к более низким или
более высоким звукам.
1) только А 2) только Б 3) и А и Б 4) ни А ни Б
Всегда ли можно точно определить направление распространения звука и