Прилипали вибрали для прилипання до китів області біля дихала та плавників

Американські біомеханіки змоделювали течію рідини навколо синього кита, що пливло, і визначили місця на його тілі, найбільш вигідні для прикріплення риб-прилипал. Виявилося, що в районі дихала, а також спинного та грудних плавців гідродинамічний опір значно знижується — він може бути на 84 відсотки меншим, ніж у відкритому потоці. Це дозволяє рибам не тільки міцно присмоктуватись до тіла кита, але навіть ненадовго відкріплюватись і плавати поблизу нього, пишуть вчені у Journal of Experimental Biology.

Риби із сімейства приліпалових (Echeneidae) використовують великих морських тварин - акул, черепах або китів - як транспорт для міграцій на великі відстані. За допомогою присоски, на яку в ході еволюції перетворився спинний плавець, вони прикріплюються до тіла великої тварини і можуть разом з ним переміщатися в пошуках їжі або партнера. Риби-прилипали не такі маленькі: довжина їх тіла становить кілька десятків сантиметрів, при цьому тварина-господар зазвичай пливе з досить великою швидкістю (наприклад, максимальна швидкість синього кита сягає п'яти метрів за секунду), тому рідина створює досить великий опір лоба. Цей опір рідини потрібно долати навіть прилипалі, і щоб легше втриматися, потрібно ретельно вибирати місце прикріплення. Однак докладних досліджень, чому одні крапки на тілі тварини-господаря прилипала воліє іншим, не проводилися.

Біомеханіки зі США та Іспанії під керівництвом Брук Фламманг (Brooke E. Flammang) з Технологічного інституту в Нью-Джерсі вирішили визначити, які місця на тілі синього кита.Balaenoptera musculus) найчастіше вибирають риби-прилипали для прикріплення та як цей вибір можна пояснити з точки зору гідродинаміки. Для цього спочатку вчені проаналізували 3,5 години відео синіх китів, що пливли, а потім змоделювали плавання китів за допомогою методу обчислювальної гідродинаміки (CFD, computational fluid dynamics) і знайшли області з найменшим гідродинамічним опором.

На відеозаписах вчені зафіксували 61 крапку на тілах трьох китів, до яких прикріплювалися прилипали виду Remora australis завдовжки від 20 до 40 сантиметрів. Виявилося, що майже всі точки прикріплення розташовані у трьох областях на тілі кита: безпосередньо за дихалом, в області спинного плавця та збоку від грудних плавців. При цьому в ділянці за дихалом і навколо спинного плавця прилипали закріплювалися групами.

Цікаво, що при цьому риби не весь час були прикріплені до тіла господаря: для харчування вони можуть на якийсь час від'єднатися, а потім прикріпитися назад — на те саме місце або на нове. Поки риба відкріплена від кита, вона знаходиться на зовсім невеликій відстані від поверхні тіла кита, в області сліду, де тіло кита тягне рідину за собою. У цій галузі можна за рахунок ковзання в потоці значно знизити енерговитрати на плавання та досить легко плисти безпосередньо поблизу кита.

Щоб пояснити вибір саме цих областей для закріплення прилипав і ковзання вздовж поверхні тіла кита, вчені побудували комп'ютерну модель тварини, що пливе, на основі методу кінцевих елементів. Геометрію тіла кита для розрахункової моделі відтворювали за тривимірною реплікою, середня швидкість кита була 1,5 метри за секунду, а довжина тіла — 18 метрів. З урахуванням в'язкості число Рейнольдса становило близько 23 мільйонів.Повністю розрахунковий осередок включав майже 42 мільйони елементів, розрахунок проводився на 720 ядрах Барселонського суперкомп'ютера протягом двох діб. За підсумками розрахунку вчені побудували поле швидкості потоку рідини навколо кита, що пливе, завихренність потоку і розподілу тиску і коефіцієнтів опору і тертя в потоці.

Вчені змоделювали потоки навколо прилипав чотирьох розмірів: заввишки від 1 до 5,3 сантиметрів. З'ясувалося, що у тих областях, куди найчастіше прикріплюються прилипали, коефіцієнт лобового опору може скорочуватися на 71–84 відсотки порівняно з відкритим потоком. Саме в цих областях відбувається поділ потоку на кілька частин, що призводить до зниження опору. Області гідродинамічного сліду, в яких риби вважають за краще ковзати в потоці, відірвавшись від тіла тварини-господаря, знаходяться збоку від областей прикріплення або за ними. Такі «застійні» області в потоці створюються завдяки виступам на тілі кита за рахунок ефекту Вентурі — падіння тиску в звуженому потоці — там опір рідини знижується на 50–72 відсотки. У тих самих областях на тілі кита, куди риби не прикріплювалися взагалі, і за даними моделювання виграш у гідродинамічному опорі був незначний або нульовий.

За словами вчених, отримані ними дані не лише пояснюють поведінку риб-приліпалів, а й корисні для підвищення ефективності екологічного моніторингу. Розуміння картини потоків рідини навколо тіла кита дозволить закріплювати на ньому датчики або мітки, які довше утримуватимуться на тварині.

Дослідження гідродинамічних особливостей плавання великих тварин допомагає знаходити оптимальні способи переміщення у в'язкому середовищі.Наприклад, американські вчені з'ясували, що максимальної швидкості великі риби та морські ссавці досягають, якщо відношення амплітуди коливання хвоста тварини до довжини тіла становить від 10 до 30 відсотків. А раніше біологи показали, що також заощадити сили риби можуть, плаваючи на боці.

Прилипали вибрали для прилипання до китів області біля дихала та плавників

Американські біомеханіки змоделювали течію рідини навколо синього кита, що пливло, і визначили місця на його тілі, найбільш вигідні для прикріплення риб-прилипал. Виявилося, що в районі дихала, а також спинного та грудних плавців гідродинамічний опір значно знижується — він може бути на 84 відсотки меншим, ніж у відкритому потоці. Це дозволяє рибам не тільки міцно присмоктуватись до тіла кита, але навіть ненадовго відкріплюватись і плавати поблизу нього, пишуть вчені у Journal of Experimental Biology.

Риби із сімейства приліпалових (Echeneidae) використовують великих морських тварин - акул, черепах або китів - як транспорт для міграцій на великі відстані. За допомогою присоски, на яку в ході еволюції перетворився спинний плавець, вони прикріплюються до тіла великої тварини і можуть разом з ним переміщатися в пошуках їжі або партнера. Риби-прилипали не такі маленькі: довжина їх тіла становить кілька десятків сантиметрів, при цьому тварина-господар зазвичай пливе з досить великою швидкістю (наприклад, максимальна швидкість синього кита сягає п'яти метрів за секунду), тому рідина створює досить великий опір лоба. Цей опір рідини потрібно долати навіть прилипалі, і щоб легше втриматися, потрібно ретельно вибирати місце прикріплення.Однак докладних досліджень, чому одні крапки на тілі тварини-господаря прилипала воліє іншим, не проводилися.

Біомеханіки зі США та Іспанії під керівництвом Брук Фламманг (Brooke E. Flammang) з Технологічного інституту в Нью-Джерсі вирішили визначити, які місця на тілі синього кита.Balaenoptera musculus) найчастіше вибирають риби-прилипали для прикріплення та як цей вибір можна пояснити з точки зору гідродинаміки. Для цього спочатку вчені проаналізували 3,5 години відео синіх китів, що пливли, а потім змоделювали плавання китів за допомогою методу обчислювальної гідродинаміки (CFD, computational fluid dynamics) і знайшли області з найменшим гідродинамічним опором.

На відеозаписах вчені зафіксували 61 крапку на тілах трьох китів, до яких прикріплювалися прилипали виду Remora australis завдовжки від 20 до 40 сантиметрів. Виявилося, що майже всі точки прикріплення розташовані у трьох областях на тілі кита: безпосередньо за дихалом, в області спинного плавця та збоку від грудних плавців. При цьому в ділянці за дихалом і навколо спинного плавця прилипали закріплювалися групами.

Цікаво, що при цьому риби не весь час були прикріплені до тіла господаря: для харчування вони можуть на якийсь час від'єднатися, а потім прикріпитися назад — на те саме місце або на нове. Поки риба відкріплена від кита, вона знаходиться на зовсім невеликій відстані від поверхні тіла кита, в області сліду, де тіло кита тягне рідину за собою. У цій галузі можна за рахунок ковзання в потоці значно знизити енерговитрати на плавання та досить легко плисти безпосередньо поблизу кита.

Щоб пояснити вибір саме цих областей для закріплення прилипав і ковзання вздовж поверхні тіла кита, вчені побудували комп'ютерну модель тварини, що пливе, на основі методу кінцевих елементів. Геометрію тіла кита для розрахункової моделі відтворювали за тривимірною реплікою, середня швидкість кита була 1,5 метри за секунду, а довжина тіла — 18 метрів. З урахуванням в'язкості число Рейнольдса становило близько 23 мільйонів. Повністю розрахунковий осередок включав майже 42 мільйони елементів, розрахунок проводився на 720 ядрах Барселонського суперкомп'ютера протягом двох діб. За підсумками розрахунку вчені побудували поле швидкості потоку рідини навколо кита, що пливе, завихренність потоку і розподілу тиску і коефіцієнтів опору і тертя в потоці.

Вчені змоделювали потоки навколо прилипав чотирьох розмірів: заввишки від 1 до 5,3 сантиметрів. З'ясувалося, що у тих областях, куди найчастіше прикріплюються прилипали, коефіцієнт лобового опору може скорочуватися на 71–84 відсотки порівняно з відкритим потоком. Саме в цих областях відбувається поділ потоку на кілька частин, що призводить до зниження опору. Області гідродинамічного сліду, в яких риби вважають за краще ковзати в потоці, відірвавшись від тіла тварини-господаря, знаходяться збоку від областей прикріплення або за ними. Такі «застійні» області в потоці створюються завдяки виступам на тілі кита за рахунок ефекту Вентурі — падіння тиску в звуженому потоці — там опір рідини знижується на 50–72 відсотки. У тих самих областях на тілі кита, куди риби не прикріплювалися взагалі, і за даними моделювання виграш у гідродинамічному опорі був незначний або нульовий.

За словами вчених, отримані ними дані не лише пояснюють поведінку риб-приліпалів, а й корисні для підвищення ефективності екологічного моніторингу. Розуміння картини потоків рідини навколо тіла кита дозволить закріплювати на ньому датчики або мітки, які довше утримуватимуться на тварині.

Дослідження гідродинамічних особливостей плавання великих тварин допомагає знаходити оптимальні способи переміщення у в'язкому середовищі. Наприклад, американські вчені з'ясували, що максимальної швидкості великі риби та морські ссавці досягають, якщо відношення амплітуди коливання хвоста тварини до довжини тіла становить від 10 до 30 відсотків. А раніше біологи показали, що також заощадити сили риби можуть, плаваючи на боці.