النهاية

الزعنفة هي زائدة أو جزء رفيع متصل بجسم أو هيكل أكبر. ^{[ 1 ]} تعمل الزعانف عادةً كرقائق تولد قوة رفع أو دفع ، أو توفر القدرة على التوجيه أو تثبيت الحركة أثناء الإبحار في الماء أو الهواء أو السوائل الأخرى . كما تُستخدم الزعانف لزيادة مساحة السطح لأغراض نقل الحرارة ، أو ببساطة كعنصر زخرفي. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تطورت الزعانف في البداية لدى الأسماك كوسيلة للحركة. تُستخدم زعانف الأسماك لتوليد قوة الدفع والتحكم في الحركة اللاحقة. تستخدم الأسماك وغيرها من الحيوانات المائية، مثل الحيتان ، الزعانف الصدرية والذيلية لدفع وتوجيه نفسها بنشاط. أثناء السباحة، تستخدم زعانف أخرى، مثل الزعانف الظهرية والشرجية ، لتحقيق الثبات وتحسين المناورة. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

تُسمى الزعانف الموجودة على ذيول الحيتانيات والإكتيوصورات والميتريورينكيات والموساسورات والبليزوصورات بالزعانف الذيلية .

تُولّد الزعانف ذات الشكل الانسيابي قوة دفع عند تحريكها، حيث يُحرّك رفع الزعنفة الماء أو الهواء ويدفع الزعنفة في الاتجاه المعاكس. تحصل الحيوانات المائية على قوة دفع كبيرة بتحريك زعانفها ذهابًا وإيابًا في الماء. غالبًا ما تُستخدم الزعنفة الذيلية ، لكن بعض الحيوانات المائية تُولّد قوة الدفع من الزعانف الصدرية . ^{[ 4 ]} يمكن للزعانف أيضًا توليد قوة دفع إذا دارت في الهواء أو الماء. تستخدم التوربينات والمراوح (وأحيانًا المراوح والمضخات ) عددًا من الزعانف الدوارة، والتي تُسمى أيضًا بالأجنحة أو الأذرع أو الشفرات. تستخدم المراوح الزعانف لتحويل قوة الالتواء إلى قوة دفع جانبية، وبالتالي دفع الطائرات أو السفن. ^{[ 6 ]} تعمل التوربينات بشكل عكسي، حيث تستخدم رفع الشفرات لتوليد عزم الدوران والطاقة من الغازات المتحركة أو الماء. ^{[ 7 ]}

يمكن للزعانف المتحركة أن توفر قوة الدفع

تحصل الأسماك على قوة دفع من خلال تحريك زعانف الذيل العمودية من جانب إلى آخر.

تحصل الحيتانيات على قوة دفع من خلال تحريك زعانف الذيل الأفقية لأعلى ولأسفل.

تحصل أسماك الراي اللاسع على قوة دفع من زعانفها الصدرية الكبيرة.

مروحة السفينة

زعانف الضاغط (الشفرات)

يظهر تلف ناتج عن التكهف بوضوح على هذه المروحة.

رسم من تصميم الدكتور توني أيلينغ

---

قد تؤثر الزعانف الصغيرة على طريقة تشكل الدوامة حول الزعنفة الذيلية.

قد يُشكل التكهف مشكلةً في التطبيقات عالية الطاقة، مما يؤدي إلى تلف المراوح أو التوربينات، بالإضافة إلى الضوضاء وفقدان الطاقة. ^{[ 8 ]} يحدث التكهف عندما يتسبب الضغط السلبي في تكوّن فقاعات (تجاويف) في سائل، والتي تنهار بعد ذلك بسرعة وبعنف. وقد يُسبب ذلك أضرارًا وتآكلًا كبيرين. ^{[ 8 ]} كما يُمكن أن يُصيب التكهف زعانف ذيول الحيوانات البحرية القوية، مثل الدلافين والتونة. ويزداد احتمال حدوث التكهف بالقرب من سطح المحيط، حيث يكون ضغط الماء المحيط منخفضًا نسبيًا. وحتى لو كانت الدلافين قادرة على السباحة بسرعة أكبر، فقد تضطر إلى الحد من سرعتها لأن انهيار فقاعات التكهف على ذيولها مؤلم للغاية. ^{[ 9 ]} يُبطئ التكهف أيضًا من سرعة التونة، ولكن لسبب مختلف. فعلى عكس الدلافين، لا تشعر هذه الأسماك بالفقاعات، لأن زعانفها عظمية ولا تحتوي على نهايات عصبية. ومع ذلك، لا تستطيع السباحة بسرعة أكبر لأن فقاعات التكهف تُكوّن طبقة بخارية حول زعانفها تُحد من سرعتها. تم العثور على آفات على أسماك التونة تتوافق مع أضرار التجويف. ^{[ 9 ]}

تُعدّ أسماك الإسقمريات (التونة، والماكريل، والبونيتو) من السباحين ذوي الأداء العالي. وعلى طول الحافة الخلفية لأجسامها، يوجد صف من الزعانف الصغيرة عديمة الأشعة وغير القابلة للسحب، والمعروفة باسم الزعانف الصغيرة . وقد دارت تكهنات كثيرة حول وظيفة هذه الزعانف. أشارت الأبحاث التي أجراها ناوين ولاودر في عامي 2000 و2001 إلى أن "للزعانف الصغيرة تأثيرًا ديناميكيًا مائيًا على التدفق الموضعي أثناء السباحة المنتظمة"، وأن "الزعنفة الصغيرة الخلفية موجهة لإعادة توجيه التدفق إلى دوامة الذيل المتكونة، مما قد يزيد من قوة الدفع التي ينتجها ذيل سمكة الماكريل أثناء السباحة". ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

تستخدم الأسماك زعانف متعددة، لذا من الممكن أن تتفاعل زعنفة معينة ديناميكيًا مع زعنفة أخرى. على وجه الخصوص، قد تكون الزعانف الواقعة مباشرةً قبل الزعنفة الذيلية زعانف مجاورة تؤثر بشكل مباشر على ديناميكيات التدفق عند الزعنفة الذيلية. في عام 2011، تمكن باحثون باستخدام تقنيات التصوير الحجمي من توليد "أولى الصور ثلاثية الأبعاد الآنية لهياكل الدوامات الناتجة عن الأسماك السابحة بحرية". ووجدوا أن "ضربات الذيل المستمرة تؤدي إلى تكوين سلسلة متصلة من حلقات الدوامات"، وأن "دوامات الزعنفة الظهرية والشرجية تُسحب بسرعة بواسطة دوامة الزعنفة الذيلية، تقريبًا في غضون الفترة الزمنية لضربة ذيل لاحقة". ^{[ 13 ]}

بمجرد استقرار الحركة، يمكن التحكم بها باستخدام زعانف أخرى. ^{[ 4 ] [ 16 ] [ 17 ]} تتحكم القوارب في اتجاهها (الانعطاف) باستخدام دفات تشبه الزعانف، وتدور حول محورها باستخدام زعانف تثبيت وزعانف قاع. ^{[ 16 ]} تحقق الطائرات نتائج مماثلة باستخدام زعانف صغيرة متخصصة تُغير شكل أجنحتها وزعانف ذيلها. ^{[ 17 ]}

تُستخدم زعانف متخصصة للتحكم في الحركة

تحتاج الأسماك والقوارب والطائرات إلى التحكم في ثلاث درجات من حرية الدوران . ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

تحتوي الزعنفة الظهرية لسمكة القرش الأبيض على ألياف جلدية تعمل "مثل الحبال التي تثبت صاري السفينة"، وتتصلب ديناميكيًا مع زيادة سرعة سباحة القرش للتحكم في الدوران والانحراف. ^{[ 21 ]}

يقوم الدفة بتصحيح الانحراف .

يحد الزعنفة الطرفية من الميلان والانجراف الجانبي.

تعمل زعانف تثبيت السفينة على تقليل الميلان.

تتحكم الجنيحات في الدوران الجانبي.

تتحكم المصاعد في درجة الميل.

يتحكم الدفة في الانعطاف .

تُستخدم الزعانف المُثبِّتة كريش في الأسهم وبعض أنواع الرماح ، ^{[ 22 ]} وفي الجزء الخلفي من بعض القنابل والصواريخ والقذائف ذاتية الدفع . [ ^{23 ] [ 24 ] وهي} عادةً ما تكون مسطحة وشكلها كأجنحة صغيرة، على الرغم من استخدام الزعانف الشبكية أحيانًا. ^{[ 25 ]} كما استُخدمت الزعانف الثابتة في قمر صناعي واحد، وهو القمر الصناعي GOCE .

تُستخدم الزعانف الذيلية الثابتة كمثبتات

تركيب ريش السهم

تُضفي الزعانف المثبتة غير المتماثلة دورانًا على صاروخ المدفعية السوفيتي هذا

الزعانف "المسطحة" التقليدية على صاروخ RIM-7 Sea Sparrow

تُستخدم الزعانف الهندسية أيضًا كزعانف لنقل الحرارة لتنظيم درجة الحرارة في مشتتات الحرارة أو مشعات الزعانف . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

الزعانف قادرة على تنظيم درجة الحرارة

تستخدم الدراجات النارية زعانف لتبريد المحرك. ^{[ 28 ]}

تعتمد سخانات الزيت على الحمل الحراري باستخدام الزعانف.

ترفع أسماك أبو شراع زعنفتها الظهرية لتبريد جسمها أو لتوجيه أسراب الأسماك . ^{[ 29 ] [ 30 ]}

في علم الأحياء، قد يكون للزعانف أهمية تكيفية كزينة جنسية. خلال فترة التزاوج، تُظهر أنثى سمكة البلطي ، Pelvicachromis taeniatus ، زعنفة حوضية كبيرة وجذابة بصريًا بلون أرجواني . وقد وجد الباحثون أن الذكور تُفضل بوضوح الإناث ذات الزعنفة الحوضية الأكبر حجمًا، وأن الزعانف الحوضية تنمو بشكل غير متناسب مع حجم الزعانف الأخرى لدى الإناث. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

زخرفة

أثناء التزاوج، تعرض أنثى سمكة البلطي ، Pelvicachromis taeniatus ، زعنفتها الحوضية الأرجوانية اللافتة للنظر .

ربما استخدم سبينوصور زعنفته الظهرية ( الشراع ) كعرض للتزاوج. ^{[ 33 ] : 28}

كانت الزعانف الخلفية للسيارات في الخمسينيات من القرن الماضي ذات طابع تزييني إلى حد كبير. ^{[ 34 ]}

يُضفي تصميم زعانف السباحة ، الشبيهة بزعنفة ذيل السمكة، قوة دفع وكفاءة أكبر لركلات السباح أو الغواص ^{[ 35 ] [ 36 ].} كما تُتيح زعانف ألواح التزلج على الماء لراكبي الأمواج إمكانية المناورة والتحكم في ألواحهم. غالبًا ما تحتوي ألواح التزلج الحديثة على زعنفة مركزية وزعنفتين جانبيتين مقوستين . ^{[ 37 ]}

تختلف أشكال أجسام أسماك الشعاب المرجانية غالبًا عن أسماك المياه المفتوحة . فأسماك المياه المفتوحة مصممة عادةً للسرعة، انسيابية كالطوربيدات لتقليل الاحتكاك أثناء حركتها في الماء. أما أسماك الشعاب المرجانية، فتعيش في مساحات ضيقة نسبيًا وبيئات مائية معقدة . ولذلك، تُعدّ القدرة على المناورة أهم من السرعة في خط مستقيم، لذا طوّرت أسماك الشعاب المرجانية أجسامًا تُحسّن قدرتها على الانقضاض وتغيير الاتجاه. وتتفوق على المفترسات بالاختباء في شقوق الشعاب المرجانية أو باللعب حول رؤوس المرجان. ^{[ 38 ]}

تطورت الزعانف الصدرية والحوضية للعديد من أسماك الشعاب المرجانية، مثل سمكة الفراشة وسمكة الدامسيل وسمكة الملاك ، بحيث تعمل كمكابح وتسمح بمناورات معقدة. ^{[ 39 ]} تتميز العديد من أسماك الشعاب المرجانية، مثل سمكة الفراشة وسمكة الدامسيل وسمكة الملاك ، بأجسام عميقة ومضغوطة جانبياً كالفطيرة، مما يسمح لها بالانزلاق في شقوق الصخور. صُممت زعانفها الحوضية والصدرية بشكل مختلف، بحيث تعمل مع الجسم المسطح لتحسين القدرة على المناورة. ^{[ 38 ]} تعتمد بعض الأسماك، مثل سمكة البخاخ وسمكة الملف وسمكة الصندوق ، على الزعانف الصدرية للسباحة ونادراً ما تستخدم الزعانف الذيلية. ^{[ 39 ]}

استخدامات أخرى

تُضيف زعانف السباحة قوة دفع لركلات السباح البشري .

تسمح زعانف ألواح التزلج لراكبي الأمواج بالتحكم في ألواحهم.

في بعض الدول الآسيوية تعتبر زعانف القرش من الأطعمة الشهية . ^{[ 40 ]}

في السنوات الأخيرة، تطورت زعانف السيارات إلى أجنحة ومفسدات عالية الأداء . ^{[ 41 ]}

تمتلك العديد من أسماك الشعاب المرجانية زعانف صدرية وحوضية مُحسَّنة لأجسامها المسطحة. ^{[ 38 ]}

تستخدم أسماك الضفدع زعانفها الصدرية والحوضية للمشي على طول قاع المحيط. ^{[ 42 ]}

تستخدم الأسماك الطائرة زعانف صدرية متضخمة للانزلاق فوق سطح الماء. ^{[ 43 ]}

هناك نظرية قديمة، اقترحها عالم التشريح كارل غيغنباور ، والتي غالبًا ما يتم تجاهلها في كتب العلوم، مفادها أن الزعانف (والأطراف لاحقًا) تطورت من خياشيم فقاري منقرض. إلا أن الفجوات في السجل الأحفوري لم تسمح بالتوصل إلى استنتاج قاطع. في عام 2009، وجد باحثون من جامعة شيكاغو أدلة على أن "البنية الجينية للخياشيم والزعانف والأطراف متطابقة"، وأن "هيكل أي زائدة خارج جسم الحيوان ربما يكون قد تشكل وفقًا للبرنامج الجيني التنموي الذي تتبعناه إلى تكوين الخياشيم في أسماك القرش". ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} وتدعم دراسات حديثة فكرة أن أقواس الخياشيم والزعانف المزدوجة متماثلة تسلسليًا، وبالتالي فإن الزعانف ربما تكون قد تطورت من أنسجة الخياشيم. ^{[ 48 ]}

الأسماك هي أسلاف جميع الثدييات والزواحف والطيور والبرمائيات. ^{[ 49 ]} وعلى وجه الخصوص، تطورت رباعيات الأطراف البرية (الحيوانات ذات الأربع أرجل) من الأسماك، وبدأت رحلتها الأولى على اليابسة قبل 400 مليون سنة. استخدمت هذه الحيوانات زعانف صدرية وحوضية مزدوجة للتنقل. تطورت الزعانف الصدرية إلى أرجل أمامية (أذرع في حالة البشر)، وتطورت الزعانف الحوضية إلى أرجل خلفية. ^{[ 50 ]} يوجد جزء كبير من الآلية الجينية المسؤولة عن بناء طرف للمشي في رباعيات الأطراف في زعنفة السباحة لدى الأسماك. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

في عام 2011، استخدم باحثون في جامعة موناش بأستراليا أسماك الرئة البدائية، التي لا تزال حية ، "لتتبع تطور عضلات الزعانف الحوضية، بهدف معرفة كيفية تطور الأطراف الخلفية الحاملة للأحمال لدى رباعيات الأطراف". ^{[ 53 ] [ 54 ]} كما توصلت أبحاث أخرى في جامعة شيكاغو إلى أن أسماك الرئة التي تعيش في قاع البحر قد طورت بالفعل خصائص أنماط المشي لدى رباعيات الأطراف البرية. ^{[ 55 ] [ 56 ]}

في مثال كلاسيكي للتطور التقاربي ، تطورت الأطراف الصدرية للتيروصورات والطيور والخفافيش بشكل مستقل إلى أجنحة طيران. وحتى مع أجنحة الطيران ، توجد ^أوجه تشابه عديدة مع أرجل المشي، وقد احتُفظ بالجوانب الأساسية للمخطط الجيني للزعنفة الصدرية. [ ^{57 ] [ 58 ]}

قبل حوالي 200 مليون سنة، ظهرت الثدييات الأولى. وبدأت مجموعة من هذه الثدييات بالعودة إلى البحر قبل حوالي 52 مليون سنة، مُكملةً بذلك دورةً تطورية. هذه الثدييات هي الحيتانيات (الحيتان والدلافين وخنازير البحر). تشير تحليلات الحمض النووي الحديثة إلى أن الحيتانيات تطورت من داخل ذوات الحوافر زوجية الأصابع ، وأنها تشترك في سلف مشترك مع فرس النهر . ^{[ 59 ] [ 60 ]} قبل حوالي 23 مليون سنة، بدأت مجموعة أخرى من الثدييات البرية الشبيهة بالدببة بالعودة إلى البحر. هذه هي زعنفيات الأقدام (الفقمات). ^{[ 61 ]} ما أصبح أطرافًا للمشي في الحيتانيات والفقمات تطور بشكل مستقل، في شكل عكسي من التطور التقاربي، إلى أشكال جديدة من زعانف السباحة. أصبحت الأطراف الأمامية زعانف ، وفي زعنفيات الأقدام، أصبحت الأطراف الخلفية ذيلًا ينتهي بزعنفتين ( على عكس ذلك، فإن ذيل الحوت عضو جديد تمامًا). ^{[ 62 ]} عادةً ما تكون ذيول الأسماك عمودية وتتحرك من جانب إلى آخر. أما ذيول الحيتان فهي أفقية وتتحرك لأعلى ولأسفل، لأن أشواك الحيتان تنحني بنفس طريقة انحناء أشواك الثدييات الأخرى. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

الإكتيوصورات هي زواحف قديمة تشبه الدلافين. ظهرت لأول مرة منذ حوالي 245 مليون سنة واختفت منذ حوالي 90 مليون سنة.

"لقد تقارب هذا الزاحف البحري، ذو الأسلاف البرية، بشدة مع الأسماك لدرجة أنه طور زعنفة ظهرية وذيلًا في المكان المناسب تمامًا وبتصميم هيدرولوجي مناسب تمامًا. وتزداد هذه التراكيب روعةً لأنها تطورت من العدم - فالزاحف البري السلفي لم يكن لديه سنام على ظهره أو نصل على ذيله ليكون بمثابة سلف له." ^{[ 65 ]}

قال عالم الأحياء ستيفن جاي غولد إن الإكثيوصور كان مثاله المفضل على التطور التقاربي . ^{[ 66 ]}

يُعدّ استخدام الزعانف لدفع الحيوانات المائية فعالاً للغاية. فقد حُسب أن بعض الأسماك قادرة على تحقيق كفاءة دفع تتجاوز 90%. ^{[ 4 ]} وتستطيع الأسماك التسارع والمناورة بكفاءة تفوق القوارب أو الغواصات ، مع إحداث اضطراب وضوضاء أقل في الماء. وقد أدى ذلك إلى إجراء دراسات محاكاة حيوية للروبوتات تحت الماء، والتي تسعى إلى محاكاة حركة الحيوانات المائية. ^{[ 67 ]} ومن الأمثلة على ذلك "سمكة التونة الروبوتية" التي صممها معهد الروبوتات الميدانية ، لتحليل حركة التونة ونمذجتها رياضياً . ^{[ 68 ]} وفي عام 2005، عرض حوض أسماك "سي لايف" في لندن ثلاث أسماك روبوتية من تصميم قسم علوم الحاسوب في جامعة إسكس . صُممت هذه الأسماك لتكون ذاتية الحركة، تسبح وتتجنب العوائق كالأسماك الحقيقية. وقد ادعى مصممها أنه كان يحاول الجمع بين "سرعة التونة، وتسارع سمكة الكراكي، ومهارات الملاحة لدى ثعبان البحر". ^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]}

يُحاكي روبوت AquaPenguin ، الذي طورته شركة Festo الألمانية، الشكل الانسيابي وطريقة الدفع بواسطة الزعانف الأمامية للبطاريق . ^{[ 72 ] [ 73 ]} كما طورت Festo أيضًا روبوتات AquaRay ، ^{[ 74 ]} و AquaJelly ^{، [ 75 ]} و AiraCuda ، ^{[ 76 ]} التي تحاكي على التوالي حركة أسماك المانتا وقناديل البحر والباراكودا.

في عام 2004، قام هيو هير في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتصميم نموذج أولي لسمكة روبوتية حيوية ميكانيكية مزودة بمحرك حيوي، وذلك عن طريق زرع عضلات من أرجل الضفادع جراحياً في الروبوت، ثم جعل الروبوت يسبح عن طريق نبض ألياف العضلات بالكهرباء. ^{[ 77 ] [ 78 ]}

توفر الأسماك الآلية بعض المزايا البحثية، مثل القدرة على فحص جزء من تصميم السمكة بمعزل عن باقي أجزائها، ودراسة تباين أحد المعايير، كالمرونة أو الاتجاه. كما يستطيع الباحثون قياس القوى مباشرةً بسهولة أكبر من قياسها في الأسماك الحية. "وتُسهّل الأجهزة الآلية أيضًا دراسات الحركة ثلاثية الأبعاد والتحليلات الهيدروديناميكية المترابطة، إذ يُمكن معرفة موقع سطح الحركة بدقة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن برمجة المكونات الفردية للحركة الطبيعية (مثل حركة الزعنفة للخارج مقابل حركة الزعنفة للداخل) بشكل منفصل، وهو أمر يصعب تحقيقه عند العمل مع حيوان حي." ^{[ 79 ]}

• الحركة المائية
• الحركة بالزعانف والزعانف
• حركة الأسماك
• حركة الروبوت
• روبوتونا
• شراع (غواصة)
• زعنفة لوح التزلج

• الحركة في أسماك الحياة البرية .
• برنامج تعليمي حول ديناميكيات الموائع الحسابية. يتضمن العديد من الأمثلة والصور، مع إشارات إلى الأسماك الآلية.
• أبحاث جلد السمك، جامعة كولومبيا البريطانية.
• تصميم مضبوط الزعانف، مجلة الإيكونوميست ، 19 نوفمبر 2008.