W końcu wiemy, jak ryby pływają tak szybko

Jeśli chodzi o pływanie, ryby wykazują niewymuszoną grację i moc, o których ludzie mogą tylko pomarzyć. Podczas gdy najszybsze ryby pływają z prędkością do 70 mil na godzinę, żaden człowiek nigdy nie zdołał pokonać nawet 4 mil na godzinę w wodzie. Nawet najszybsze łodzie podwodne osiągają prędkość maksymalną zaledwie 50 mil na godzinę.

Dokładnie to, jak ryby radzą sobie z tym wyczynem, jest tajemnicą. Fizycy, biolodzy i inżynierowie od dawna zastanawiali się nad charakterystycznym ruchem falowym i generowanymi przez niego siłami hydrodynamicznymi. Rzeczywiście, mają dwie teorie napędu hydrodynamicznego, aby to wyjaśnić, chociaż pochodzą one z lat 50. i 60. XX wieku. Ale nikt nie wymyślił, co jest poprawne.

Dziś to się zmienia dzięki pracy Tingyu Minga z Beijing Computational Science Research Center w Chinach i różnych kolegów. Ci goście modelowali napęd ryb na superkomputerze i skalibrowali wyniki, używając szczegółowych pomiarów ruchu prawdziwych ryb. Ich model po raz pierwszy wyjaśnia, w jaki sposób ryby generują pchnięcie, a nawet dlaczego pewne struktury anatomiczne, takie jak ścięgna, są tak ważne.

Najpierw trochę tła. W charakterystycznym, falistym ruchu pływackim ryb, mięśnie kurczą się sekwencyjnie wzdłuż ciała, aby wytworzyć falę zginającą się do tyłu. To napiera na wodę i wytwarza ciąg.

Ale dokładnie, jak powstaje ten pchnięcie, jest czymś w rodzaju zagadki. W 1952 roku brytyjski fizyk Geoffrey Taylor rozważył interakcję każdego segmentu ciała ryby z wodą. Jego pomysł polegał na tym, że każdy segment generuje opór, opór ruchu. Gdy segment faluje, opór jest większy w kierunku prostopadłym do ciała niż równolegle do niego. Rezultatem jest pchnięcie w kierunku równoległym lub do przodu. Ta idea jest znana jako teoria siły oporu.

Ale w 1960 roku brytyjski matematyk James Lighthill przedstawił inny pomysł, w którym dominującym efektem jest bezwładność wody. Pozwala to płaskiej płycie na generowanie ciągu poprzez falowanie o małej amplitudzie. Jest to znane jako teoria wydłużonego ciała.

Kluczową różnicą między tymi teoriami jest rodzaj generowanej siły. Dla Taylora jest to siła oporu, która działa w kierunku przeciwnym do ruchu ciała, ale jest w fazie z tą prędkością. Dla Lighthilla jest to siła reaktywna, która działa w kierunku przeciwnym do siły działania i jest w fazie z przyspieszeniem.

Może się to wydawać subtelną różnicą, ale jest kluczem do zrozumienia napędu ryb i jego sztucznego odtworzenia. Dlatego ważna jest wiedza, której teorii użyć.

Aby się tego dowiedzieć, Tingyu i spółka stworzyli trójwymiarowy model obliczeniowej dynamiki płynów dla dwóch rodzajów ryb: pływaków anguliformalnych, takich jak węgorze i pływaków karangiowatych, takich jak makrela. Główna różnica polega na tym, że anguilliforme falują całe swoje ciała, podczas gdy tylko tylna połowa ciał carangiform ulega znacznemu wygięciu.

Zespół wykorzystał rzeczywiste badania ruchu ryb, aby skalibrować swoje modele, a następnie obliczył siłę, moment obrotowy i moc generowaną przez każdy typ kształtu ciała.

Wyniki stanowią ciekawą lekturę. Okazuje się, że obie teorie są poprawne, ale dla różnych kształtów ciała, a nawet dla różnych części tych ciał.

Na przykład zarówno dla pływaków typu makreli, jak i pływaków typu węgorz, siły oporu są ważniejsze w środkowej części ciała, która jest stosunkowo gładka i jednolita. Ale siły reaktywne odgrywają znacznie większą rolę w pobliżu ogonów pływaków typu makreli.

Ważną rolę odgrywa również elastyczność. Nikt nie był w stanie zmierzyć elastyczności ciał ryb podczas pływania, ale panuje zgoda, że ​​elastyczność musi pomagać w magazynowaniu energii i poprawiać efektywność pływania.

Model Tingyu i spółki również zapewnia pewien wgląd w to, pokazując, jak elastyczność zmienia się wraz z siłą i mocą generowaną przez ciało. Naukowcy pokazują, jak węgorze i makrele muszą stać się elastyczne w różnych miejscach swojego ciała iw różnych punktach podczas każdego falistego cyklu. Ta obserwacja jest zgodna z ustaleniami poprzednich badań, że odpowiednia elastyczność może oszczędzać i przywracać energię w celu poprawy wydajności.

Rodzi to pytanie, w jaki sposób ten transfer energii zachodzi przez ciała ryb. Jedną z zagadkowych cech anatomicznych pływaków typu makreli jest to, że mają ścięgna rozciągające się wzdłuż ciała w kierunku ogona. Gdyby każdy kręg działał jako niezależna jednostka, jak sugeruje teoria Taylora, ten rodzaj ścięgna nie byłby konieczny.

Ale w nowym modelu opracowanym przez Tingyu i spółkę jest to dokładnie to, czego potrzeba. Stawiamy hipotezę, że te długie ścięgna służą do przenoszenia energii, mówią.

To interesująca praca i to nie tylko dlatego, że daje szczegółowy wgląd w jedną z najczęstszych form napędu w świecie przyrody. Okazuje się, że napęd ryb jest znacznie bardziej złożony niż początkowo sądzono i prawdopodobnie podobnie trudny do sztucznego odtworzenia.

Jednak prace Tingyu i spółki oferują drogę naprzód dla bioinżynierów, którzy mają nadzieję na odtworzenie napędu ryb w sztucznych urządzeniach. Pewnego dnia może również pomóc okrętom podwodnym szybciej podróżować. Ludzie mają dużo do nadrobienia!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1812.02410 : Jak moc ryb pływanie: trójwymiarowe studium obliczeniowej dynamiki płynów

ukryć