Изследване и реализация на движенията на Trochilidae (Колибри)
Изтегляне 0.58 Mb.
|
- Навигация на страницата:
- Раздел І: Клас Птици 1. Обща информация
- 2. Устройство на птица - физически характеристики
- 2.1.1. Структура на контурно перо
- 2.1.2. Видове контурни пера
- 2.1.3. Други видове пера
- 2.1.4. Растеж на перата
- 2.2. Анатомично устройство на птиците
- 2.3. Функциониране на различните видове крила
- 2.4. Аеродинамика на полета
- 2.4.2. Придвижване напред
УВОДНаблюдението на заобикалящата ни среда и желанието ни да я пресъздадем по един или друг начин винаги е било стремеж на човека. В нашия технологичен 21 век, един от най - точните, предизвикателни и интересни начини за това е компютърната 3d анимация. Съвместявайки в себе си изкуството и технологията, 3d анимацията обуславя специфични особености, които трябва да се имат в предвид при реализацията. От една страна се изисква събирането на богат помощен материал, който максимално точно да изобразява и описва поведението на избрания за анимация обект в естествената му среда. От друга страна трябва да се прецени, кои характеристики на избрания за реализация софтуер да се използват, така че резултатите да са максимално реалистични, при оптимално съотношение на вложени време и труд. Настоящата работа има за цел да изследва и анализира поведението на клас птици като цяло, както и детайлно да разгледа и пресъздаде реалистично движенията на разред колибри. Различният софтуер предлага разнообразни решения за създаване на сцени, които изискват изобразяване на подобни силно динамични ситуации, като всяко от тях има своите плюсове и минуси. В текущата разработка се изследват вариантите за реализация с помощта на софтуерното приложение 3d Studio Max v.8. Работата е разделена в четири основни раздела като се акцентира върху:
Анимацията на колибри представлява интерес, защото движенията му са много специфични и различни от тези на останалите представители на класа. Бивайки най – миниатюрната птица в света, за да се задържа във въздуха, тя трябва да маха с крила изключително бързо, което при странично наблдение с невъоръжено око генерира ефект на размазване. Този ефект представлява предизвикателство за 3d анимацията, тъй като неговата употреба се налага често за реалистично пресъздаване на бързо движещи се обекти. Раздел І: Клас Птици1. Обща информацияКолибрито е от семейство Колиброви (Trochilidae), клас Птици и за да разберем неговите специфични особености и да изясним начините за анимация на този клас обекти е необходимо първо да изясним механизма на летене на птиците по принцип. Как летят птиците? Откакто съществуват хора те са наблюдавали полета на птиците и са се чудели как ли го правят и дали те също биха могли да полетят. Едва през 20ти век хората съумяват да построят машини, които могат да летят и това е станало след като внимателно са изучавали птиците. Така или иначе птиците се справят много по - добре с летенето отколкото ние - хората със самолетите си. Всичко в птиците е създадено за летене. Затова е необходимо по - задълбочено да изследваме анатомията им, специфичните им характеристики и умения, които правят летенето възможно. Птиците (лат. Aves) са клас двукраки, яйцеснасящи, покрити с пера и с видоизменени в криле предни крайници гръбначни животни. [18] Те съставят един много хомогенен и специализиран клас. Кожата им е общо взето тънка, лишена е от жлези (изключение прави локализираната в опашката мастна жлеза, секретът на която служи за импрегнация на перата) и е покрита с пера, с изключение на определени участъци на главата, шията и краката. Краката им са покрити, подобно на влечугите, с люспи. Някои видове имат костни или кожни израстъци по главата или краката, служещи понякога като полов отличителен белег. Те са топлокръвни животни, поддържащи температура на тялото около 37,8 C -45,5°C. Имат висока скорост на метаболитните процеси, като изключенията са много. Зрението и слухът са отлични при повечето птици, но обонянието и вкусът рядко са развити. Размерите им са много разнообразни, като се започне с колибрито, което тежи 2гр. при дължина на тялото 2,8см. и размах на крилата 6см., и се стигне до щрауса с неговите до 200кг. и дължина на тялото 2,6м., и до странстващия албатрос с размах на крилата до 3,63м. 2. Устройство на птица - физически характеристикиПтиците имат структура, която е с толкова много характерни адаптации (основно подпомагащи летенето), че са си спечелили собствен клас в класификацията на гръбначните животни. На Фиг.1 могат да се видят анатомичните външни белези на типична птица. Фиг. 1. Анатомия на типична птица [5] Една от най-важните особености при птиците, възникнала в процеса на еволюцията и като резултат от завладяването на въздушните пространства, се явява оперението на тялото, затова ще отделим специално внимание на перата. 2.1. ПераТе са рогови образувания на кожата. Покриват цялото тяло с изключение на стъпалата и пръстите, човката, някои зони от шията, корема и гребена при кокошовите птици. [2, стр.17]. Генетически перата водят началото си от роговите люспи при влечугите. Те са необходими за полет, изолация и ухажване през размножителния период. Цветовете и формата им ни помагат да различаваме различните видове птици, а понякога и да различим женската от мъжкия. Има няколко вида пера: Покривни (контурни) - разположени по крилата (махови) и по опашката (кормилни) - имат важно значение при летенето; пухови - меки, нежни, лежат под покривните; нишковидни - по главата, в основата на клюна и по тялото.
Продължението на дръжката в централната част на ветрилото се нарича стъбло на перото. То е плътно и от двете му страни са разположени страничните пластинки, които са изградени от разклонения първи и втори разред, а последните са свързани здраво помежду си посредством микроскопични кукички. (Фиг.3) По такъв начин се формира една здрава рогова повърхност на контурното перо. 
Фиг. 3. Разклонения на контурно перо отблизо [6] 2.1.2. Видове контурни пераКонтурните пера са най-сложно устроени и съставляват най - голяма част от оперението на птиците. Те очертават формата на тялото и така са получили наименованието си. Най - големите контурни пера се развиват върху крилата и изпълняват изключително важна роля при летенето. Те образуват летателната повърхност на крилата и се наричат махови пера. Разделят се на три основни групи. (Фиг.4)
Фиг. 4. Видове махови пера [6] Удължените контурни пера на опашката имат голямо значение за направляване тялото при полет. Те се наричат кормилни пера. По - малките по размери контурни пера покриват останалата част от тялото и носят названието покривни пера. 2.1.3. Други видове пераПод контурните пера в непосредствена близост до кожата се развиват пуховите пера. (Фиг.5Г.) Тяхната ос е тънка, а разклоненията им са меки и дълги. При тях липсват разклонения от втори разред и не се образуват странични пластинки. Като разновидност на пуховите пера се явява пухът. (Фиг.5В.) Той представлява пухови пера, чиято централна ос е скъсена, разклоненията са свободни и силно удължени и изхождат подобно на кичурче от върха на късата ос. Пуховите пера и пухът заедно с въздуха между тях образуват един термоизолационен слой на тялото и го предпазват от прекомерно излъчване на телесна топлина. С пухови пера е покрита главата. Най – много пухови пера имат водните птици. Около очите ушите в основата на човката и между останалите пера се развиват така наречените нишковидни пера. (Фиг.5А.) При тях е развита само централната ос, а страничните разклонения или липсват или са съвсем слабо развити. В този си вид нишковидното перо твърде много прилича на косъм. Около човката и очите на някои нощни птици се развиват четинковидни пера. (Фиг.5Б.) Те изпълняват осезателна функция и подпомагат птиците при откриването и улавянето на храната.
Въпреки че възрастната птица обикновено сменя всичките си пера в периода на смяна на перата, това не става изведнъж, а в продължение на няколко месеца, така че птицата да има достатъчно за летене и изолация. Смяната на перата обикновено се задейства от смяна на дължината на деня или може да се появи след размножаване 2.1.5. Цвят на ператаЦветът на перата се определя от наличието на различни пигменти, включително меланини, каротеноиди и порфирини [2 стр.76.]
2.2. Анатомично устройство на птиците2.2.1. Опорно-двигателен апарат2.2.1.1. МускулиПтицата има приблизително 175 различни мускула. Те контролират основно крилата, кожата и краката и. Най - големите мускули са тези, които контролират крилата. Наричат се пекторални или гръдни и представляват около 15-25% от цялата маса на птицата. Те правят размаха на крилото толкова мощен, че птицата да може да лети. Други мускули, които се намират под тях помагат на крилото да се движи нагоре по време на полет. Тези две мускулни групи съставляват 25-35% от теглото на птицата. Кожните мускули, са също от голямо значение за полета, тъй като спомагат перата, които са прикрепени за тях да се движат нагоре, надолу и настрани. Играят значителна роля за маневрирането. Друг важен мускул е този, който се намира в опашката и контролира перата в нея. Той придава на опашката по - голяма повърхност, което поддържа птицата във въздуха.
2.2.1.2. СкелетСкелетът на птиците е пригоден за полет, като костите са олекотени и кухи. Броят на кухите кости варира за различните видове, като големите кръжащи птици имат най - много такива кости. Повечето кости съдържат кислород, който допълнително ги олекотява. Птиците, вторично загубили способността си да летят и пригодени за бягане, имат плътни кости. Костите са здрави, тъй като са богати на калиеви соли и много от тях са свързани в големи костни комплекси. На Фиг.6. може да се види скелет на гълъб, с типичните за повечето птици особености, които естествено варират за отделните разреди. 
Фиг. 6. Скелет на гълъб [ 8, 2 стр.23.] 1 - шийни прешлени; 2- гръдни прешлени; 3 - опашни прешлени; 4 - тръткова кост; 5 - горна част на ребрата с коси израстъци; 6 - долна част на ребрата; 7 - кил; 8 - ключица; 9 -плешка; 10 - лъчева кост; 11 - лакетна кост; 12 - китка; 13 – череп; 14 - хълбочна кост; 15 - седалищна кост; 16 - срамна кост; 17 - бедрена кост; 18 - пищял; 19 - стъпало; 20 - първи пръст; 21 - четвърти пръст
Черепът е кръгъл и при повечето от видовете очните кухини са с относително големи размери, като изключение прави кивито, което има малки очни кухини и като цяло не разчита на зрението си. Черепът има голяма черепна кухина за главния мозък. Костите са леки и при възрастните екземпляри напълно срасли помежду си. Състои се от пет главни кости:
Теглото на черепа на нормална птица обикновено е около 1% от цялостното и тегло. Друга особеност е, че горната част на човката е подвижно свързана с черепа, по което птиците се различават от влечугите и бозайниците. Самата човка представлява покрита с рогово вещество и без зъби челюст и може да има най - разнообразна форма, цвят и предназначение.
Разделя се на пет области: шийна, гръдна, поясна, кръстна и опашна. В шийната област прешлените най-често са 14, много рядко 9 и единствено при лебедите са 25. Гръбначният стълб се свързва с главата чрез два съчленителни прешлена - атлас и епистрофеус. Благодарение на тях главата се движи във всички посоки. Гръдните прешлени (от 3 до 10) са слабо подвижни и понякога сраснали. За тях са прикрепени ребрата. По - голямата част от прешлените на останалите области срастват помежду си и образуват една обща кост - свещена кост. През ранните стадии на ембрионалното развитие тези прешлени са напълно разделени. Тъй като тежестта на тялото пада изключително на задните крайници, свещената кост представлява здрава опора за свързване на трупа с краката. Тази кост е образувана от срастването на последните два прешлена от гръдната област, всички от поясната и кръстната и пет прешлена от опашната. Следващите 6-9 прешлена от опашната област са свободни и последните 4 - 7 образуват обща пластинка за която са прикрепени опашните пера.
При птиците те се състоят от две части, свързани под ъгъл помежду си. Свързват се с прешлените от гръдната област посредством главичка и допълнителен израстък. В горната си част всяко ребро има по един къс израстък, който възсяда следващото ребро. Този израстък спомага натискът на въздушната струя при полет да се разпредели правилно върху всички ребра и по този начин предпазва първите ребра от счупване.
Пекторалният (гръдният) пояс се състои от три основни кости. Отстрани е формиран от ребрата, които се събират в гръдната кост. Типично за летящите птици е наличието на така наречения кил - издадена кост на гърдите, за която се захващат значително увеличените, служещи за летене гръдни мускули.
При задните крайници силно развити са бедрената кост и големият пищял. Между тях има капаче. Малкият пищял е закърнял и има игловидна форма. При възрастните птици големият пищял сраства с първия ред от костите на петата и образува една обща кост. По същия начин срастват вторият ред петни кости с костите на стъпалото. Задните крайници при птиците варират значително по форма, размери и предназначение.(Фиг.7.) Броят на пръстите е от 2 (щраус) до 4. Първият пръст, ако го има, е разположен по - високо от останалите и е обърнат назад, четвъртият също при някои видове е обърнат назад (папагали, кълвачи), пети липсва. Водоплаващите птици имат кожна мембрана, свързваща някои или всички пръсти (патици, пеликани), или кожни разширения на самите пръсти. Краката могат да служат за бягане, като при щрауса, за плуване (сем. Патицови и др.), за оръжие срещу съперниците в размножителния период (Кокошоподобни), за лов (Ястребови) и др., като според основното им предназначение са и специфичните им особености. Фиг. 7.  Различни видове стъпала при птиците [9]
Скелетът на предните крайници е изменен във връзка с начина на движение. Раменната, лакетната и лъчевата кост са силно удължени. Вторият ред от костите на китката срастват с костите на дланта и образуват обща кост. Развити са три пръста. Първият и третият се състоят от едно членче, а вторият от две членчета. Предните крайници понякога са вторично закърнели. Крилете служат най - често за летене, но при някои видове са изменени вторично в „перки“ (пингвини и др.), хватателни крайници (хоацин) или са закърнели (ему, киви, щраус и др.). Крилете при летящите птици са изключително леки, за да способстват полета. Поради изключителното значение на крилата за определянето на птиците като такива и функционирайки като основни елементи за осъществяването на процеса летене, те заслужават повече внимание.
Както всичко в живия организъм и формата на крилата има своето значение за оцеляването му. Например фазаните и яребиците, които обикновено обитават местности с гъста растителност и трябва да се отклоняват мигновено, имат крила, които позволяват лесно и бързо маневриране на къси разстояния, но затова пък не са достатъчно ефективни за поддържане на високоскоростен полет. Създадени за бързо излитане и маневриране - този вид крила са сравнително къси, но широки с гъвкави краища, които могат лесно да променят ъгъла си, без да е необходимо извъртане на цялото крило. (Фиг.8.) 
Фиг. 8. Крило на Северен Присмехулник [10]
Крилата на птиците, които се реят са доста широки. Прорезите които имат основните пера и разположението им на крилото, ги правят най - ефективни за реене над земята. Тези прорези позволяват всяко основно перо да бъде отделен аерофол. Такива крила имат червеноопашатите ястреби, ширококрилите ястреби, кондорите гарваните, лешоядите и др. (Фиг.9). 
Фиг. 9. Крило на турски лешояд [10]
Често птиците -плячка и повечето бързо - летящи птици имат гореописаните крила, които лесно се извиват назад. Този тип крила са изключително маневрени и формата им подпомага висока скорост на летене. Такива крила имат лястовиците, бързолетите, водните птици и др.(Фиг.10.) 
Фиг. 10. Крило на малка чайкоподобна птица [10]
Крилата характерни за полет с бавни махове са големи и с ясно изразена извивка, подобна на арка. Чаплите и ибисите имат такъв тип крила. Стилът им на летене е силно специфичен и много лесно се познава, че дадена птица принадлежи към тези семейства, дори от разстояние. (Фиг.11.) 
Фиг. 11. Крило на зелена чапла [10]
Морските птици като средиземноморския буревестник и албатросите имат крила приспособени за презокеанско летене. Те са дълги, тесни, плоски и заострени без прорези на основните пера. Най -дълги са най - външните основни пера. Тези крила са много подходящи за надморско реене. Такива крила имат и чайките, които почти непрестанно се реят над морето.(Фиг.12.) 
Фиг. 12. Крило на буревестник [10]
Това са крилата на типичния щъркел и някои видове лешояди. Имат прорезна структура, предназначена за летене на голяма височина. Те са широки и къси за да могат лесно да се възползват дори от незначителните промени във въздушните потоци.
Крила за такъв полет има колибрито.(Фиг.13.) 
Фиг. 13. Крило на колибри [10] Те са заострени и могат да се извиват назад. При тях движението става от раменната кост като се движи цялото крило. Това позволява на птиците от това семейство да завъртят крилото в средата на маха, така че движението назад да отмени нуждата от мах напред. По този начин птичката всъщност остава застинала във въздуха, което и дава възможност да пие нектар от цветята. 2.4. Аеродинамика на полетаИма две естествени сили, които птицата трябва да преодолее, за да може да лети:
Птицата трябва да генерира подемна сила (издигане), която да я отдалечи от земята и тласък, който да я придвижва напред във въздуха. 2.4.1. ИздиганеПогледнато интуитивно, махът на крилото надолу би трябвало да създаде подемна сила за издигане, но защо тогава махът нагоре не действа противоположно? Частично това може да бъде обяснено с начина, по който птиците се реят в небето. Когато птицата се рее, тя не прави махове с крила, и все пак има достатъчно подемна сила, за да се задържи високо във въздуха. Подемната сила се генерира, не от маховете с крила, а от това по какъв начин въздушния поток минава покрай повърхността на крилото. Ако направим напречен разрез през крилото на птицата, формата му наподобява тази на капка – т.е аерофол. Когато насрещен вятър достигне повърхността на аерофола струята се разделя на два потока, като единия минава над аерофола, а другият под него. (Фиг.14.)
Въздушните потоци под аерофола се събират и образуват област с по-високо налягане, докато тези отгоре се разпръскват и там налягането остава по-ниско. Разликата в двете налягания генерира подемната сила за издигането. 2.4.2. Придвижване напредТяга е нужната сила, за да се преодолее съпротивлението на въздуха и птицата да се придвижи напред. Ако наблюдаваме на забавен каданс птица по време на полет ще забележим, че движението, което извършва с крилата си е не просто нагоре и надолу, а е доста по-сложно. При махът надолу, крайчето на крилото се придвижва надолу и малко напред, а при махът нагоре крайчето се отива леко назад. Това би оставило човек с впечатлението, че птицата почти плува във въздуха, но обяснението не е така просто. Към края на махът надолу, въздухът под крилото кара перата да се извъртят във вертикална позиция. Всяко от кормилните пера също има формата на аерофол и въздухът, който се плъзга по повърхността на завъртените пера, създава тягата за придвижване напред. (Фиг.15.) 
Фиг. 15. Вертикална позиция на перата при мах надолу [11] 2.4.3. ИзлитанеПтиците, са с лице срещу вятъра, когато излитат или се приземяват, за да могат да се възползват от скоростта му. Ако излитаха по посока на вятъра, те нямаше да имат същия контрол. Естествено има някои характерни особености за различните видове птици. Докато големите птици имат продължително излитане и се засилват преди да се отлепят от земята, малките птици могат директно да се устремят нагоре. Някои големи сухоземни птици като орли и ястреби нарочно кацат на висок клон или хълм, така че да могат първо да се спуснат надолу, за да наберат нужната скорост за издигане и след това да се политат нагоре. Водните птици излитат енергично махайки с крила и засилвайки се по водата. При излитане големите сухоземни птици синхронизират стъпките си с маховете на крилата си. Водните птици с помощта на ципите на краката си също извършват движение наподобяващо тичане, което е синхронизирано с маховете на крилата. 2.4.4. КацанеПри кацане особено по - големите птиците разперват крилата и опашките си за да постигнат максимална спирачна сила. Задните крайници действат при птиците като основен механизъм за спиране. Те им помагат по - лесно да потеглят от неподвижно положение и омекотяват кацането. Различните видове птици използват този механизъм в различна степен. Например при добрите летци като лястовичките, бързолетите и колибритата краката са по - слабо развити и не се използват толкова, но при птици от семействата на кукувиците, яребиците, краката са изключително развити. Затова пък те не са така умели летци. При кацане птиците използват краката си като спирачки като често се захващат с тях за клон или друга повърхност. Малките птици често кацат като преценяват даден клон и след това летейки над него с минимална скорост го сграбчват с крака. Принудени да кацнат с висока скорост, повечето големи птици пикират надолу, след което точно преди да кацнат махат с крила, за да се издигнат малко нагоре преди кацането и да намалят скоростта си при приземяването до минимум. Високата скорост при кацане не е проблем за водните птици, защото те успешно използват големите си крака за приземяване във водата - подобно на хидроплан. Повечето големи морски птици са се адаптирали да кацат във водата, но ако е необходимо те могат да кацнат и на сушата макар и доста тромаво. Изтегляне 0.58 Mb. Сподели с приятели:
|
