Pagaliau žinome, kaip žuvys taip greitai plaukia

Kalbant apie plaukimą, žuvys demonstruoja lengvą malonę ir galią, apie kurią žmonės gali tik pasvajoti. Greičiausios žuvys plaukia iki 70 mylių per valandą greičiu, tačiau nė vienas žmogus vandenyje neįveikė net 4 mylių per valandą greičio. Net greičiausių povandeninių laivų didžiausias greitis yra tik 50 mylių per valandą.

Kaip žuvims pavyksta pasiekti šį žygdarbį, yra paslaptis. Fizikai, biologai ir inžinieriai jau seniai glumino būdingą banguotą judėjimą ir jo sukuriamas hidrodinamines jėgas. Iš tiesų, jie turi dvi hidrodinaminės varomosios jėgos teorijas, kurios tai paaiškina, nors jos datuojamos šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose. Tačiau niekas neišsiaiškino, kas teisinga.

Šiandien tai keičiasi dėl Tingyu Ming darbo Pekino skaičiavimo mokslų tyrimų centre Kinijoje ir įvairių kolegų. Šie vaikinai sumodeliavo žuvies varymą superkompiuteryje ir sukalibravo rezultatus naudodami išsamius tikros žuvies judėjimo matavimus. Jų modelis pirmą kartą paaiškina, kaip žuvys sukuria trauką ir netgi kodėl tam tikros anatominės struktūros, pavyzdžiui, sausgyslės, yra tokios svarbios.

Pirmiausia šiek tiek fono. Vykdant žuvims būdingą banguotą plaukimo judesį, raumenys nuosekliai susitraukia išilgai kūno, kad sukurtų atgal judančią kūno lenkimo bangą. Tai spaudžia vandenį ir sukuria trauką.

Tačiau kaip tiksliai atsiranda ši trauka, yra galvosūkis. 1952 metais britų fizikas Geoffrey Taylor svarstė kiekvieno žuvies kūno segmento sąveiką su vandeniu. Jo idėja buvo ta, kad kiekvienas segmentas sukuria pasipriešinimą, pasipriešinimą judėjimui. Atkarpai banguojant, pasipriešinimas yra didesnis statmenai kūnui nei lygiagrečiai jam. Rezultatas yra stūmimas lygiagrečia kryptimi arba į priekį. Ši idėja žinoma kaip pasipriešinimo jėgos teorija.

Tačiau 1960 m. britų matematikas Jamesas Lighthillas pateikė kitokią idėją, kurioje dominuojantis poveikis yra vandens inercija. Tai leidžia plokščiai plokštei sukurti trauką mojuojant maža amplitude. Tai žinoma kaip pailginto kūno teorija.

Pagrindinis skirtumas tarp šių teorijų yra generuojamos jėgos tipas. Taylorui tai yra pasipriešinimo jėga, kuri veikia priešinga kūno judėjimui kryptimi, bet yra fazėje su šiuo greičiu. Lighthill atveju tai yra reaktyvioji jėga, kuri veikia priešinga veikimo jėgai kryptimi ir yra fazėje su pagreičiu.

Tai gali atrodyti subtilus skirtumas, tačiau jis yra labai svarbus norint suprasti žuvies varymą ir dirbtinai atgaminti. Štai kodėl svarbu žinoti, kurią teoriją naudoti.

Norėdami tai išsiaiškinti, Tingyu ir bendradarbiai sukūrė dviejų tipų žuvų 3D skaičiavimo skysčių dinamikos modelį: anguliforminius plaukikus, pavyzdžiui, ungurius, ir karangiforminius plaukikus, pavyzdžiui, skumbrę. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad anguiliforms banguoja visą savo kūną, o tik užpakalinė karangiforminių kūnų pusė labai įlinksta.

Komanda naudojo tikrus žuvų judėjimo tyrimus, kad sukalibruotų savo modelius, o tada apskaičiavo jėgą, sukimo momentą ir galią, kurią sukuria kiekvieno kūno formos tipas.

Rezultatai leidžia įdomiai skaityti. Pasirodo, kad abi teorijos yra teisingos, bet skirtingoms kūno formoms ir net skirtingoms šių kūnų dalims.

Pavyzdžiui, tiek skumbrės, tiek ungurio tipo plaukikams pasipriešinimo jėgos yra svarbesnės vidurinėje kūno dalyje, kuri yra gana lygi ir vienoda. Tačiau reaktyviosios jėgos vaidina daug didesnį vaidmenį šalia skumbrės tipo plaukikų uodegų.

Elastingumas taip pat vaidina svarbų vaidmenį. Niekam nepavyko išmatuoti žuvų kūnų elastingumo plaukiant, tačiau sutariama, kad elastingumas turi padėti kaupti energiją ir pagerinti plaukimo efektyvumą.

Tingyu ir co modelis taip pat suteikia šiek tiek įžvalgos, parodydamas, kaip elastingumas kinta priklausomai nuo kūno sukuriamos jėgos ir galios. Tyrėjai parodo, kaip unguriai ir skumbrės turi tapti elastingos skirtingose ​​savo kūno vietose ir skirtinguose taškuose per kiekvieną bangavimo ciklą. Šis pastebėjimas atitinka ankstesnių tyrimų išvadas, kad tinkamas elastingumas gali sutaupyti ir atkurti energiją, kad pagerintų efektyvumą, sako jie.

Tai kelia klausimą, kaip šis energijos perdavimas vyksta per žuvų kūnus. Viena iš mįslingų skumbrės tipo plaukikų anatominių savybių yra ta, kad jie turi sausgysles, besitęsiančias išilgai jų kūno link uodegos. Jei kiekvienas slankstelis veiktų kaip nepriklausomas vienetas, kaip rodo Taylor teorija, tokia sausgyslė nebūtų reikalinga.

Tačiau naujajame Tingyu ir co sukurtame modelyje kaip tik to ir reikia. Manome, kad šios ilgos sausgyslės naudojamos energijai perduoti, sako jie.

Tai įdomus darbas, ir ne tik todėl, kad jame pateikiama išsami įžvalga apie vieną iš labiausiai paplitusių varymo formų gamtos pasaulyje. Pasirodo, kad žuvies varymas yra daug sudėtingesnis, nei manyta iš pradžių, ir tikriausiai taip pat sunku dirbtinai atgaminti.

Tačiau Tingyu ir bendradarbiai siūlo kelią į priekį bioinžinieriams, kurie tikisi atkurti žuvų varomąją jėgą dirbtiniuose įrenginiuose. Tai gali vieną dieną padėti povandeniniams laivams keliauti greičiau. Žmonės turi daug ką pasivyti!

Nuoroda: arxiv.org/abs/1812.02410 : Kaip plaukia žuvis: 3D skaičiavimo skysčio dinamikos tyrimas

paslėpti