Гідродинаміки навчать риб швидко плавати

У своєму новому дослідженні американські гідродинаміки знайшли основні фізичні параметри, які визначають оптимальний режим плавання риб та водних ссавців. Виявилося, що максимальна швидкість досягається за мінімальних зусиль, якщо відношення амплітуди коливання хвоста тварини до довжини його тіла становить від 10 до 30 відсотків. Дослідження опубліковано у Physical Review Fluids.

Рух риби за рахунок хвостового плавця досить добре оптимізовано: за мінімальних витрат енергії вони досягають максимальної швидкості. До останнього часу вважалося, що це їм вдається завдяки управлінню безрозмірним числом Струхаля, яке пов'язує швидкість руху з частотою і амплітудою коливальних рухів хвоста. Для того, щоб витрачати найменші зусилля ці значення не повинні виходити за межі діапазону від 0,2 до 0,4. У цьому плавання риб схоже на політ птахів: незважаючи на те, що механізми руху різні, вони описуються практично однаковим діапазоном чисел Струхаля.

У своїй новій роботі гідродинаміки зі США зробили висновок, що насправді швидкість плавні визначається двома параметрами: крім числа Струхаля важливим також є відношення амплітуди коливань хвоста до довжини тіла, і більш важливим є другий. Для свого дослідження вчені зробили оцінки для співвідношення безрозмірних величин, що визначають динаміку руху, і перевірили їх на простій експериментальній установці (докладніше про неї розповідається нижче), після чого порівняли отримані результати з відомими даними для різних видів водних тварин: форелі, кількох видів дельфінів, чорної акули, плотви та скумбрії.

Теоретичні оцінки показали, що з відносно невеликих швидкостях, коли сила опору прямо пропорційна швидкості, число Струхаля падає у разі зростання швидкості. Але коли величина швидкості піднімається вище за критичну, опір стає пропорційно квадрату швидкості і значення числа Струхаля виходить на постійне значення в районі 0,3. При цьому риба перестає його контролювати: у такому режимі воно повністю визначається формою її тіла та в'язкістю рідини. Однак вдалося показати, що при такому плаванні швидкість руху виявляється пропорційною частоті коливань хвостого плавця, а енергетичні втрати контролюються за рахунок зміни їх амплітуди.

Для того щоб підтвердити зроблені оцінки, гідродинаміки зібрали просту установку, в якій замість риби використовувався прямокутний шматочок гнучкої фольги. Його прикріпили до невеликого двигуна, за допомогою якого фольга здійснювала коливальні рухи з певною амплітудою, і помістили в потік рідини. Одночасні вимірювання швидкості рідини, амплітуди та частоти коливань фольги піддали існування оптимального значення відношення амплітуди коливань до довжини тіла в районі 25 відсотків.

Фінальною частиною роботи було порівняння отриманих теоретичних та лабораторних результатів із даними, відомими для реальних водних тварин. Виявилося, що дійсно для руху зі швидкостями, при яких опір пропорційний квадрату швидкості, число Струхаля у таких тварин практично не змінюється. Більше того, воно дуже слабко залежить і від виду тварини.А знайдене значення оптимальної амплітуди коливань хвоста підтвердилося: якщо риба пливе досить швидко, то витрачати менше сил вона буде, коли трясе своїм хвостом з амплітудою від 10 до 30 відсотків від довжини свого тіла.

Раніше ми писали, що заощадити сили під час плавання риби можуть і іншими способами, наприклад, Читати далі.

Фізики створили механічний метаматеріал з ефектом пам'яті, який можна використовувати як примітивний лічильник до десяти. У майбутньому лічильники з подібною конструкцією можуть виявитися корисними для м'якої робототехніки та розумних. Властивості метаматеріалів визначаються в першу чергу не хімічною будовою, а геометричною мікроструктурою (наприклад, розташуванням шарів різних речовин або періодичністю атомної решітки) і для них характерні аномальні значення різних фізичних параметрів. напрямі ауксетики, що мають негативне значення коефіцієнта Пуассона, то в перпендикулярному напрямку вони розширюються (у той час як звичайні матеріали стискаються). Однак такі матеріали запам'ятовують лише початковий стан, запам'ятати кілька послідовно мінливих станів їм. не під силу.Фізики Мартін ван Хеке (Martin van Hecke) та Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) із Лейденського університету розробили метаматеріал, у якого пам'ять про попередні деформації не скидається. Зберігаючи інформацію про попередні впливи, такий матеріал фактично може вважати: він запам'ятовує кожне натискання, послідовно змінюючи свою структуру. Вчені зробили матеріал на 3D-принтері із стоматологічної силіконової суміші для зліпків. Він складається з окремих осередків, кожна з яких включає дві балки: одну тонку і одну товсту. Тонка балка може згинатися або вліво або вправо. Товста балка служить перегородкою, відокремлюючи комірки матеріалу один від одного. Значення критичної деформації для товстої та тонкої балок різні, тому одного натискання достатньо для згинання тонкої балки та часткової деформації товстої. Наявність товстої балки також не дає деформуватися тонкій балці в сусідньому осередку. Матеріал вважає наступним чином. У початковому стані <000. 0>всі тонкі балки вигнуті вліво. При кожній зміні напрямку вигину тонкої балки 0 змінюється на 1. Перевищуючи першим натисканням критичну деформацію тонкої балки, систему виводять у стан . Після кожного наступного натискання крайня зліва балка згинається праворуч. Товста балка при цьому не деформується, але за рахунок конструкції згинає таку тонку. Тобто система копіює стан вигнутої вправо тонкої балки (1) з кожним натисканням на одну комірку правіше. У термінах нулів та одиниць, підрахунок можна записати як <000. 0>→ → →···· → . До скільки може дорахувати матеріал, залежить від числа осередків і початкового стану системи, пам'ять метаматеріалу зберігається до кінця підрахунку.За словами авторів роботи, такий метаматеріал з ефектом пам'яті фактично є найпростішим комп'ютером, який можна запрограмувати на рахунок з будь-якого початкового числа. Його роботу вчені перевірили, фіксуючи значення критичних деформацій та починаючи рахунок із різних початкових чисел. Матеріалознавці відзначають, що такий лічильник з метаматеріалу можна виготовити з інших речовин, наприклад каучуку або поліуретану. У майбутньому з аналогічних осередків вчені планують збирати і двомірні масиви, на яких можна буде проводити більш складні обчислювальні операції.

© 2024 N + 1 Інтернет-видання / Свідоцтво про реєстрацію ЗМІ Ел № ФС77-67614

Використання всіх текстових матеріалів без змін у некомерційних цілях дозволяється з посиланням на N+1.

Усі аудіовізуальні твори є власністю своїх авторів та правовласників та використовуються тільки в освітніх та інформаційних цілях.

Якщо ви є власником того чи іншого твору і не погоджуєтесь з його розміщенням на нашому сайті, будь ласка, напишіть на [email protected]

Сайт може містити контент, не призначений для осіб віком до 18 років.