Warum ist der Fisch im Wasser schneller als der Vogel in der Luft? [abgeschlossen]

Die Geschwindigkeit eines Objekts ist ein Gleichgewicht zwischen der Widerstandskraft auf das Objekt und dem Schub, den das Objekt erzeugen kann. Um hohe Geschwindigkeiten oder in diesem Fall möglicherweise relevanter hohe Beschleunigungen zu erreichen, muss der Schub so hoch wie möglich gemacht werden, während der Luftwiderstand so gering wie möglich gehalten wird.

Wasser ist viel dichter als Luft, aber dies wirkt sich hauptsächlich auf den Widerstand aus, wenn die Strömung turbulent ist und der Widerstand von Trägheitskräften dominiert wird. In diesem Regime ist der Widerstand effektiv darauf zurückzuführen, dass das Medium aus dem Weg geschoben werden muss, und es ist einfacher, Luft mit geringer Dichte beiseite zu schieben als Wasser mit hoher Dichte. Wenn Sie jedoch die Strömung laminar halten können, ist die Dichte kein so großer Faktor und der Luftwiderstand wird von der Viskosität des Mediums dominiert. Wasser ist viel viskoser als Luft (sowie dichter), aber für stromlinienförmige Objekte kann der Widerstand aufgrund der Viskosität bemerkenswert niedrig gehalten werden.

Was Wasser gewinnt, ist, dass es viel einfacher ist, im Wasser einen hohen Schub zu entwickeln als in der Luft. In einem flüssigen Medium, in dem es nichts Festes gibt, gegen das man drücken könnte, erzeugt man Schub im Grunde genauso wie eine Rakete. Wenn Sie etwas Wasser wegdrücken$m$mit einer Geschwindigkeit$v$dann ändert sich der Impuls des Wassers durch$mv$, was bedeutet, dass sich Ihr Impuls um ändert$-mv$. Du schiebst also das Wasser in eine Richtung und beschleunigst in die andere Richtung. Der Schub, den Sie erzeugen, ist einfach die Änderungsrate des Impulses des Wassers.

Und nun sollte auch klar sein, warum es im Wasser einfacher ist, einen hohen Schub zu erzeugen als in der Luft. Da Luft eine geringe Dichte hat, können Sie keine große Masse davon drücken (es sei denn, Sie sind sehr groß), sodass es schwierig ist, ihren Impuls sehr stark zu ändern.

Also zusammenfassend:

• Im Wasser ist der Widerstand hoch, aber es ist einfach, einen hohen Schub zu erzeugen

• In der Luft ist der Widerstand gering, aber es ist schwierig, einen hohen Schub zu erzeugen.

Wie sich die Geschwindigkeiten im Wasser und in der Luft vergleichen, hängt vom genauen Kompromiss zwischen Luftwiderstand und Schub ab. Segelfische können Geschwindigkeiten von 68 mph erreichen, aber sie tun dies hauptsächlich, indem sie sehr stromlinienförmig sind, damit sie den Luftwiderstand so gering wie möglich halten und gleichzeitig den hohen Schub ausnutzen können, den sie aus dem Wasser bekommen können. Vögel erreichen im Allgemeinen keine so hohen Geschwindigkeiten, weil sie, obwohl der Luftwiderstand gering ist, einfach nicht den für hohe Geschwindigkeiten erforderlichen Schub erzeugen können. Wanderfalken können Geschwindigkeiten von 200 Meilen pro Stunde erreichen, viel schneller als ein Segelfisch, aber sie tun dies nur bei Tauchgängen, bei denen die Schwerkraft den Schub liefert.

Zusätzlich zu @JohnRennie und @WetSavannaAnimalakaRodVance, die versuchen, die Frage basierend auf der gleichen Logik wie mein erster Punkt unten zu beantworten, habe ich einige andere Aspekte. Tatsächlich wurde mir klar, dass meine beiden anderen Punkte entscheidend sein müssen, sonst gäbe es keinen Grund, warum Fische und Vögel derzeit sehr unterschiedlich funktionieren.

• Da Wasser zähflüssiger zu reisen ist, ergibt sich eine geringfügige Formänderung (des Läufers) bei größerem Krümmungswinkel; drehen geht schneller.

• Fische bewegen sich eher wie Schlangen, die ihren Körper von einer Seite zur anderen drehen, sodass ihre Muskeln dann genauso gut zum Drehen geeignet sind, wie die erforderliche Geste ähnlich ist. Vögel bewegen sich vorwärts, indem sie mit den Flügeln schlagen, und das Drehen erfordert das Kippen ihrer Flügel, sodass sie dafür Sekundärmuskeln benötigen würden. Daher müssen Fische den Vögeln anatomisch überlegen sein, um die seitliche Richtung zu ändern.

• Vögel müssen Energie aufwenden, um durch Bewegung (Flügelschlag) ständig auf der gleichen Höhe zu bleiben. Während Fische ein Organ namens Schwimmblase haben, um ihre Tiefe zu regulieren. Wenn Vögel die gleiche Art von Organ für die Höhe verwenden würden (und effektiv so dicht wären wie die Luft, die sie umgibt), hätten sie sich höchstwahrscheinlich so entwickelt, dass sie sich seitlich beweglicher bewegen können – genau wie Fische. Bearbeiten: Einige Vögel können die Höhe mit sehr minimalem Energieverbrauch halten, indem sie beim Aufsteigen ihre Flügel ausstrecken. Dies stellt jedoch meinen Standpunkt nicht in Frage; während hochfliegende Vögel keine beweglichen Bewegungen machen können, ohne ihren Höhenflug zu stoppen und an Höhe zu verlieren. Andererseits können Fische ihre Schwimmblase nutzen und gleichzeitig schnelle Bewegungen ausführen.

Aus deinem Kommentar:

Hier geht es um Agilität, nicht um Geschwindigkeit

es scheint, Sie sprechen von der höheren Wendigkeit eines Fisches, dh seiner Fähigkeit, seine Richtung zu ändern, sich neu zu orientieren und schnell zu beschleunigen. Sie können diese Frage durch ein Gedankenexperiment beantworten: Was passiert, wenn wir die Luft um den Vogel herum ablassen (vorausgesetzt, er kann noch atmen)? Wir näherten uns der Situation, in der sich der Vogel im Weltraum befand; es gibt dann nichts, woran er anstoßen könnte, und könnte daher den Bewegungszustand seines Massenschwerpunkts überhaupt nicht ändern.

Vögel und Fische ändern ihren Bewegungszustand, indem sie die Flüssigkeit, in die sie eingetaucht sind, "schleudern". Sie stoßen auf die Flüssigkeit und die Flüssigkeit stößt auf sie zurück, gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz (siehe auch die Frage Was Flugzeuge wirklich fliegen lässt ). Im Falle des Fisches hat die Flüssigkeit eine viel größere Masse pro Volumeneinheit, sodass er viel weniger von dieser Flüssigkeit stoßen muss, um den gleichen Impuls zu erhalten. Es ist ein bisschen wie beim Gedankenexperiment: Stell dir vor, du befindest dich im Weltall und musst dich zurück zu deinem Raumschiff begeben, indem du einen Eimer voller Bälle wirfst, die du dabei hast. Mit welchem ​​Szenario kommen Sie schneller ans Ziel: eine bestimmte Masse aus Stahlkugeln oder die gleiche Masse aus gleich großen Styroporkugeln (die ein viel größeres Gesamtvolumen hätten)? Ich denke, Sie können verstehen, dass die Stahlkugeln diese Aufgabe viel schneller und einfacher machen würden.

Es ist wie Äpfel mit Birnen zu vergleichen!

Die Medien sind der wichtigste Faktor dafür, wie sich Dinge und Tiere darin bewegen, nicht die Fische oder Vögel!

Wenn Sie Wasser und Luft entsprechend ihrer Dichte und Viskosität skalieren und den Antrieb und die Manövrierfähigkeit von Vögeln und Fischen berücksichtigen, sehen Sie, dass beide die gleichen Möglichkeiten für Tiere bieten, sich auf mehr oder weniger dem gleichen Niveau so effizient zu bewegen!

Wenn Sie bedenken, dass Vögel eine sehr geringe Dichte haben, hohle Knochen haben und viel weniger wiegen als ein Fisch der gleichen Größe, stellen Sie fest, dass die Natur sie für ein anderes Medium entworfen hat und ihre Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in Bezug zu diesem Medium stehen sollten! Wenn Sie einem Vogel die gleichen Kräfte auferlegen, die zum Manövrieren eines Fisches erforderlich sind, während er beispielsweise seinen Schwanz dreht, wird der Vogel verletzt!

Natürlich gibt es viele andere Faktoren, die dazu beitragen, wie sich Fische und Vögel bewegen und drehen, wie zum Beispiel die optimale Größe für das Ökosystem und das thermische Gleichgewicht in ihrem Körper, ihrer Beute und ihrem Raubtier.

Grundlegend sind Größe/Gewicht und Mechanismus der Aufzugsproduktion. Durch den Auftrieb verliert der Fisch einen Teil seines Eigengewichts, während ein Vogel sein eigenes Gewicht tragen muss.

Ein kleinerer Kolibri erzeugt jedoch durch eine höhere Flügelschlagfrequenz einen größeren Auftrieb und ist daher viel schneller als die meisten Fische. Eine Libelle fliegt sogar noch schneller, angetrieben von zwei Paaren synchronisierter, leichter Flügel.