Fizyka tego, jak pingwiny Gentoo potrafią tak szybko pływać pod wodą – Ars Technica

Pingwiny białobrewe Są to najszybciej pływające ptaki na świecie, poruszające się pod wodą z maksymalną prędkością do 36 km/h (około 22 mph). Dzieje się tak, ponieważ ich skrzydła ewoluowały w płetwy, które są idealne do poruszania się w wodzie (choć w dużej mierze bezużyteczne do latania w powietrzu). Fizycy wykorzystali teraz modelowanie obliczeniowe hydrodynamiki skrzydeł pingwinów, aby uzyskać dodatkowy wgląd w siły i przepływy, które te skrzydła wytwarzają pod wodą. Doszli do wniosku, że zdolność pingwina do zmiany kąta nachylenia skrzydeł podczas pływania jest najważniejszą zmienną generowania ciągu. Ostatni papier Opublikowano w Journal of Fluid Physics.

„Wyjątkowa zdolność pływających pingwinów do ruszania/hamowania, przyspieszania/zwalniania i szybkiego skręcania wynika z ich swobodnie machających skrzydeł” powiedział współautor Prasert Prapamonthon z King Mongkut Ladkrabang Institute of Technology w Bangkoku w Tajlandii. „Pozwalają pingwinom poruszać się i manewrować w wodzie oraz utrzymywać równowagę na lądzie. Nasz zespół badawczy zawsze był ciekawy wyewoluowanych stworzeń w naturze, które byłyby korzystne dla ludzkości”.

Naukowcy zawsze interesowali się badaniem zwierząt wodnych. Takie badania mogą zaowocować nowymi projektami zmniejszającymi opór samolotów lub helikopterów. Lub może pomóc w budowaniu robotów inspirowanych biologią, które są bardziej wydajne w eksploracji i monitorowaniu podwodnych środowisk – takich jak Robocrillmałego, jednonożnego robota wydrukowanego w 3D, zaprojektowanego do naśladowania ruchu nogi kryl Dzięki temu możesz płynnie poruszać się w środowiskach podwodnych.

Gatunki wodne ewoluowały na różne sposoby, aby poprawić swoją wydajność podczas nawigacji w wodzie. Na przykład rekiny mako mogą pływać z prędkością od 70 do 80 mil na godzinę, zyskując przydomek „lampartów oceanu”. W 2019 roku naukowcy wykazali, że głównym czynnikiem wpływającym na to, jak rekiny mako są w stanie tak szybko się poruszać, jest unikalna struktura ich skóry. Mają małe przezroczyste łuski o wielkości około 0,2 milimetra, zwane „zębami” w całym ciele, szczególnie skoncentrowany w skrzydłach i płetwach. Łuski są bardziej elastyczne w tych obszarach w porównaniu do innych obszarów, takich jak nos.

Ma to głęboki wpływ na stopień stresu, jakiego doświadcza rekin mako podczas pływania. Jest to spowodowane naciskiem ciągnięcia separacja przepływu wokół obiektu, takiego jak samolot lub ciało rekina mako poruszającego się w wodzie. Tak się dzieje, gdy płyn odpływa z powierzchni ciała, tworząc wiry i wiry, które utrudniają ruch ciała. Zęby mogą zaginać się w skórze rekina pod kątem większym niż 40 stopni od jego ciała – ale tylko w kierunku przeciwnym do przepływu (czyli od ogona do nosa). Kontroluje to stopień separacji przepływu, podobnie jak wgłębienia na piłce golfowej. Punktowanie lub łuski w przypadku mako rekina pomagają utrzymać związany przepływ wokół ciała, co zmniejsza rozmiar alarmu.

Krewetki z trawy bagiennej zwiększają napęd do przodu dzięki sztywności i zwiększonej powierzchni nóg. Mają również dwa mechanizmy zmniejszające opór: nogi są dwa razy bardziej elastyczne podczas ruchu regeneracyjnego i wyginają się mocniej, co skutkuje mniej bezpośrednią interakcją z wodą i mniejszą ilością kilwaterów (mniejszych wirów); I zamiast trzech nóg poruszających się oddzielnie, ich nogi zasadniczo poruszają się jak jedna, co znacznie zmniejsza opór.

Przeprowadzono również wiele badań dotyczących między innymi biomechaniki, kinezjologii i kształtu płetw pingwinów. prabamiesiąc i in. W szczególności chciał zagłębić się w hydrodynamikę tego, jak trzepoczące skrzydło generuje ciąg do przodu. Według autorów, zwierzęta wodne zazwyczaj wykorzystują dwa podstawowe mechanizmy do generowania ciągu w wodzie. Jeden opiera się na przeciąganiu, podobnie jak wioślarstwo, i dobrze nadaje się do poruszania się z małą prędkością. W przypadku wyższych prędkości wykorzystują mechanizm oparty na trzepotaniu lewitacji, który okazał się bardziej wydajny w generowaniu ciągu.

Z jednej strony skrzydła pingwina są w zasadzie opierzonymi skrzydłami samolotu, tylko krótszymi i bardziej płaskimi jak płetwy lub wiosła, z krótkimi, krzaczastymi piórami, które pomagają uwięzić powietrze w celu zmniejszenia tarcia i turbulencji. Pingwiny mogą również zmieniać kąt swoich skrzydeł (aktywne pióra skrzydeł), aby zmniejszyć opór, gdy muszą dostosować swoją postawę podczas pływania, a także nachylenie i trzepotanie. W rzeczywistości, według autorów, skrzydło pingwina jest dość złożone geometrycznie. Istnieje część wewnętrzna, w której odległość między krawędzią natarcia (przednią) a krawędzią spływu (tylną) zwiększa się im dalej od źródło; część środkowa, w której końcówka jest w przybliżeniu równoległa do przestrzeni między końcówką skrzydła a końcówką skrzydła; oraz część zewnętrzna, gdzie krawędź spływu skrzydła jest wklęsła.

Zespół badał filmy przedstawiające pływające pingwiny w połączeniu z analizą dwuwymiarowego ruchu z boku. Dane te pomogły im zbudować model hydrodynamiczny do symulacji złożonych sił i przepływów wokół skrzydeł, uwzględniając zmienne, takie jak amplituda, częstotliwość i kierunek klap skrzydłowych i piór, a także prędkość i lepkość płynnego ośrodka. Wykorzystali stosunek prędkości ciągu do prędkości do przodu, aby modelować ruch skrzydeł i dodali nową zmienną, którą nazwali „kątem ciągu”, który jest zasadniczo określony przez kąt natarcia i kąt skrzydeł względem kierunku do przodu.

prabamiesiąc i in. doszli do wniosku, że pingwiny używają mechanizmu napędowego opartego na sile nośnej podczas pływania. Co więcej, ruch piór jest zasadniczo sposobem, w jaki pingwiny wytwarzają tak potężny ciąg do przodu w wodzie. Optymalna amplituda podczas gradacji generuje największy ciąg. Pingwiny są oczywiście ekspertami w znajdowaniu tego słodkiego miejsca.

Jeśli jednak pojemność jest zbyt duża, spowoduje to powstanie impulsu ujemnego. Kiedy skrzydła trzepoczą, wytwarzają wiry, w szczególności a Spirala krawędzi czołowej (LEV) Na dachu pawilonu znajduje się Prapamonthon i in. Stwierdzono, że odgrywa ważną rolę w generowaniu zarówno siły nośnej, jak i ciągu. „Na przykład w dolnym skoku wprowadzenie kąta łopatek osłabia intensywność lokalnej wentylacji wywiewnej na górnym pokładzie (strona ssąca) i zmniejsza siłę nośną” – piszą autorzy. „Jednak nadmierny kąt wtapiania przesuwa powierzchnię dolną na stronę ssącą, co skutkuje niższym poziomem lokalnej wentylacji wyciągowej w pobliżu nasady. To przesunięcie może wyjaśniać ujemny ciąg spowodowany nadmiernym poszerzeniem łopatek”.

DOI: Fizyka płynów, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (o DOI).