A Practical Guide to Vertebrate Mechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:McGowan, Christopher

出品人:

页数:316

译者:

出版时间:1999-2

价格:$ 118.65

装帧:

isbn号码:9780521576734

丛书系列:

图书标签:

• Vertebrate Mechanics
• Biomechanics
• Animal Physiology
• Zoology
• Biology
• Physics
• Engineering
• Motion
• Skeletal Systems
• Musculoskeletal System

理论生物物理学前沿：非脊椎动物结构与功能动力学 本书旨在深入探讨无脊椎动物（Invertebrate）在生命活动过程中所涉及的复杂生物物理学机制、结构适应性以及功能动态变化，聚焦于其特有的运动系统、水动力学交互作用以及微观力学响应。 本书并非对脊椎动物的传统生物力学或解剖学进行综述，而是专注于那些缺乏内骨骼支撑系统、高度依赖体液静力学、外骨骼或特殊软组织来完成运动、支撑和生命维持的生物群体。 本书内容围绕以下几个核心主题展开，旨在为结构生物学、海洋生物工程学、生物仿生学以及演化生物学的研究者提供前沿的理论框架和实验方法论指导： 第一部分：无脊椎动物的静力学与流变学基础 第一章：体壁与体腔液的静力平衡机制 本章详细考察了环节动物（Annelids）和软体动物（Mollusks）等体壁柔性生物的身体支撑原理。重点分析了体腔液（Coelomic Fluid）在维持身体形态和抵抗外部压力中的作用。探讨了基于流体静力学原理的体壁张力分布模型，特别是蠕动运动发生时，体壁不同区域肌肉收缩对体腔液压力场的动态影响。 我们引入了“体壁-液体耦合系统”的概念，并运用有限元分析（FEA）模拟了蚯蚓在不同土壤摩擦系数下，通过波浪式收缩实现前进运动时的能量耗散与效率优化。此外，本章还探讨了某些海洋无脊椎动物（如海参的内脏悬浮系统）如何通过调控体腔液的离子浓度和渗透压，实现对身体刚性的瞬时调节，这与脊椎动物通过骨骼或软骨的刚性支撑截然不同。 第二章：外骨骼的应力分布与生物矿化模型 针对节肢动物（Arthropods）和甲壳类动物（Crustaceans）的硬质外骨骼，本章侧重于其结构设计如何应对运动和环境载荷。我们将详细分析几丁质（Chitin）复合材料的微观结构——即纤维素微晶与蛋白质基质的层级排列，如何赋予外骨骼优异的抗冲击性和疲劳寿命。 研究重点包括：不同关节处的铰链设计（Hinge Mechanisms）如何实现运动自由度（Degrees of Freedom）的精确控制；以及在蜕皮（Ecdysis）前后，外骨骼的力学性能如何发生急剧变化。我们将应用断裂力学原理，分析外骨骼在局部应力集中点（如外骨骼的连接缝隙或受力尖锐边缘）的损伤萌生与扩展路径。 第三章：软组织驱动系统的粘弹性行为 本章聚焦于具有高度柔性的无脊椎动物肌肉系统，如章鱼的腕足（Octopus Arms）或水母（Jellyfish）的伞盖。这些组织缺乏明确的骨骼杠杆系统，其运动依赖于肌肉组织本身的复杂粘弹性。我们探讨了肌动蛋白-肌球蛋白相互作用的速度依赖性，以及这些微观相互作用如何宏观地转化为组织层级的驱动力。 分析内容包括：“变形体驱动模型”，用以描述软组织在外部约束下，如何通过内部收缩产生复杂的三维弯曲和扭转。对水母的收缩-弛豫循环（Contraction-Relaxation Cycle）进行流体力学建模，揭示其高效的喷射推进（Jet Propulsion）机制的能效优势。 第二部分：无脊椎动物的运动动力学与流体相互作用 第四章：微小尺度生物的边界层效应与推进效率 本章将视角转向微小的无脊椎动物，如纤毛虫（Ciliates）、鞭毛虫（Flagellates）或微型蠕虫。在雷诺数（Reynolds Number）极低的尺度下，流体的粘性效应占据主导地位。本书详细分析了它们如何克服“粘性陷阱”（Viscous Traps），实现高效运动。 重点讨论了非对称鞭毛运动的数学描述，以及纤毛束（Ciliary Arrays）如何通过相位差（Phase Difference）控制水流，产生净推力。引入了“非互易性运动原理”（The Principle of Reciprocating Motion），解释了在粘滞流体中，简单往复运动无法产生净位移的物理限制，以及这些生物如何通过复杂的运动模式来规避此限制。 第五章：大型水生无脊椎动物的低速高效巡航 针对体型较大的水生无脊椎动物，如乌贼（Squids）或某些大型甲壳类，本章研究其在水中的运动学优化。与鱼类利用对称尾鳍的摆动不同，本章关注鳍状肢（Fins/Appendages）或膜状结构的非对称振荡或波动。 我们运用计算流体力学（CFD）模拟了墨鱼的脉冲式推进（Pulsed Propulsion）中，喷射流体与身体之间能量交换的效率。特别关注了如何利用“涡流环的生成与管理”（Vortex Ring Generation and Management）来产生升力和推力，以及这种推进方式在快速机动和能量节省之间的权衡。 第六章：爬行与附着机制的摩擦学分析 本章关注陆地和底栖无脊椎动物的移动方式，特别是软体动物的“肌肉足”运动和昆虫的附着策略。对于蜗牛和蛞蝓，我们分析了其分泌的粘液（Mucus）作为润滑剂和粘合剂的双重作用。该粘液的剪切稀化行为（Shear-Thinning Behavior）如何允许足部肌肉在低剪切速率下提供粘附力，而在运动接触面产生高剪切速率时降低摩擦阻力。 对于昆虫的附着，本章深入探讨了跗垫（Pulvilli）和爪子（Claws）的协同作用。通过原子力显微镜（AFM）获取的数据，我们解析了范德华力（Van der Waals Forces）在微观尺度上对昆虫攀爬光滑表面的贡献，并讨论了这些机制如何适应湿度变化。 第三部分：环境载荷下的结构响应与适应 第七章：深海巨型化与静水压力适应 本章探讨了深海巨型无脊椎动物（如巨型乌贼或深海甲壳类）在极端高压环境下的生物力学挑战。重点分析了细胞膜、蛋白质结构在高压下的稳定性问题。我们研究了它们如何通过调节脂肪酸组分和特定的渗透调节物质来维持生物膜的流动性和酶的活性。 结构层面，本章讨论了深海动物的低密度骨架（或完全缺乏骨架）如何优化了整体的浮力与结构完整性之间的平衡。分析了其软组织在数千米水深下所承受的“各向同性压力”与其内部组织流体之间的张力关系。 第八章：气动环境中的运动与结构优化 针对飞行昆虫（如膜翅目、鞘翅目），本章侧重于翅膀结构设计对空气动力学性能的影响。我们超越传统的“固定翼”模型，关注翅膀在高速扇动过程中产生的复杂“非定常空气动力学”（Unsteady Aerodynamics）。 详细分析了翅膀表面的微观结构（如绒毛和纹理）如何影响气流分离，以及翅膀振幅、攻角（Angle of Attack）的周期性变化如何有效利用尾流能量。本章引入了“气动弹性耦合模型”，以理解昆虫翅膀在剧烈机动时，其结构柔性如何反过来优化气动载荷的捕获。 第九章：生物力学对演化路径的影响 本章从宏观演化的角度，将结构力学约束视为驱动特定形态演化的重要选择压力。我们通过比较不同门类（如棘皮动物、环节动物和节肢动物）的运动系统，讨论了体壁刚性与运动效率的权衡。 例如，外骨骼的演化如何限制了体型的最大尺寸，而体腔液支撑系统的演化如何解放了对刚性支撑的依赖，从而促进了大型化和软体运动的复杂性。本章将结构优化视为环境适应性的一个关键维度，并探讨了趋同演化在解决生物力学挑战时的不同解决方案。 --- 本书特点： 本书严格聚焦于非脊椎动物系统，避免了对现有脊椎动物生物力学资料的重复。理论推导基于经典的连续介质力学、流体力学和材料科学，并结合了最新的生物物理测量技术（如高速摄影、同步辐射成像和活体微流变学分析）。其目的是提供一个独立的、具有高度跨学科性质的分析框架，用以理解地球上生命多样性中，非骨骼支撑生物所展现出的非凡工程智慧。

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