Вы когда-нибудь задумывались, почему скаты - одно из самых гидродинамических существ в природе? С их гладким телом и гибкими плавниками скаты являются одними из самых ловких пловцов в море, но мешают ли их выпуклые глаза и рот их движению?
Ученые и любители скатов давно задаются этим вопросом, и теперь у физики есть ответ: нет.
«Влияние трехмерных выступающих глаз и рта на самоходный гибкий скат и лежащий в его основе гидродинамический механизм еще полностью не изучены», - говорит Хён Джин Сон (Hyung Jin Sung) из Корейского института науки и технологий.
«В настоящем исследовании впервые было исследовано гидродинамическое преимущество выступающих глаз и рта».
Вместе с китайскими и южнокорейскими коллегами Сун создал две компьютерные модели плавания скатов, в которых «тело» зажималось спереди, а остальное заставлялось колебаться вверх и вниз, имитируя движения ската во время плавания. Одна модель имела глаза и рот ската, а другая - нет.
В новом исследовании, затем использовался «метод погруженных границ» для сравнения взаимодействий между водой и скатом в каждом случае. Такие типы моделей также используются учеными, изучающими нитевидных пловцов (например, жгутиков) и других микроорганизмов.
Интересно, что команда обнаружила, что когда скат плавает, его глаза и рот создают благоприятные изменения давления и завихренности (тенденция жидкости вращаться - если жидкость не вращается, завихренность равна нулю).
«Без глаз и рта вы получаете большую область отрицательного давления сверху и большую зону положительного давления под телом ската», - объясняет Софи Калабретто (Sophie Calabretto), эксперт по механике жидкостей и почетный старший преподаватель Университета Маккуори, которая не принимала участие в исследовании.
Схема самоходной гибкой пластины (ската) с глазами и ртом. Фото: Qi-an Mao
«По сути, зона отрицательного давления, создаваемая на передней кромке, увеличивает ускорение, а зона положительного давления ограничивает ускорение».
Но наличие глаз и рта вызвало дисбаланс давления, который также изменил завихренность; когда давления пытались уравновеситься, это создает спиралевидный поток по краям тела.
«То же самое происходит с крыльями самолета, и вы получаете вихри на концах крыльев», - говорит Калабретто.
«Общий эффект увеличивает зону отрицательного давления и ослабляет зону положительного давления, что увеличивает крейсерскую скорость».
Это означает, что выступающие элементы ската придают ему еще более обтекаемую форму. Исследователи даже назвали это в цифрах - глаза и рот увеличили общую эффективность движения более чем на 20,5% и 10,6% соответственно.
Исследование также показало, что существует оптимальная форма глаза и рта для максимального увеличения скорости во время плавания.
«Вероятно, можно было бы построить догадки и предположить, что эволюция помогла скатам выработать оптимальную «форму» для плавания», - говорит Калабретто.
«Природа намного опережает нас с точки зрения оптимальной конструкции вещей (спасибо, эволюция!). Поэтому, если мы сможем использовать физику для понимания основных действующих механизмов, она не только прольет свет на то, как вещи работают в нашем мире на фундаментальном уровне», это также означает, что мы также можем уловить и использовать идеи природы, когда проектируем вещи для себя».
Исследователи этого исследования предполагают, что их результаты могут помочь в разработке водных транспортных средств следующего поколения.
«Высокая эффективность плавания водных животных привлекла значительное внимание в биомиметических конструкциях, например, в биоинспирированных подводных роботах», - пишут авторы в своей статье. «Очень желательно глубокое понимание гидродинамической роли выступающих глаз и рта при самоходном передвижении».
Исследование было опубликовано в журнале Physics of Fluids.
Источник: Cosmos
