Fyzika toho, jak Gentoo Penguins dokážou tak rychle plavat pod vodou – Ars Technica

Gentoo tučňáci Jsou to nejrychleji plavoucí ptáci na světě, běží maximální rychlostí pod vodou až 36 km/h (asi 22 mph). Je to proto, že se jejich křídla vyvinula v ploutve, které jsou ideální pro pohyb ve vodě (i když pro létání vzduchem jsou z velké části neužitečné). Fyzici nyní použili výpočtové modelování hydrodynamiky křídel tučňáků, aby získali další pohled na síly a toky, které tato křídla vytvářejí pod vodou. Došli k závěru, že schopnost tučňáka měnit úhel křídel při plavání je nejdůležitější proměnnou pro generování tahu. Poslední papír Publikováno v Journal of Fluid Physics.

„Skvělá schopnost tučňáků plavat startovat/brzdit, zrychlovat/zpomalovat a rychle zatáčet je způsobena jejich volně mávajícími křídly,“ řekl spoluautor Prasert Prapamonthon z King Mongkut Ladkrabang Institute of Technology v Bangkoku v Thajsku. „Umožňují tučňákům pohánět se a manévrovat ve vodě a udržovat rovnováhu na souši. Náš výzkumný tým se vždy zajímal o vyvinuté tvory v přírodě, které by byly pro lidstvo přínosné.“

Vědci se vždy zajímali o studium vodních živočichů. Takový výzkum by mohl vést k novým konstrukcím, které snižují odolnost letadel nebo vrtulníků. Nebo by to mohlo pomoci vytvořit bio-inspirované roboty, které jsou efektivnější pro zkoumání a monitorování podmořského prostředí – jako např Robocrillmalý jednonohý robot na 3D tisku navržený tak, aby napodoboval pohyb nohy krill Můžete se tak plynule pohybovat v prostředí pod vodou.

Vodní druhy se vyvíjely různými způsoby, aby zlepšily svou účinnost při plavbě vodou. Například žraloci mako dokážou plavat rychlostí 70 až 80 mil za hodinu, čímž si vysloužili přezdívku „leopardi oceánu“. V roce 2019 vědci ukázali, že hlavním faktorem toho, jak se žraloci mako dokážou pohybovat tak rychle, je jedinečná struktura jejich kůže. Mají malé průhledné šupiny o velikosti asi 0,2 milimetru, nazývané „zuby“ po celém těle, zvláště soustředěné v křídlech a ploutvích. Šupiny jsou v těchto oblastech pružnější ve srovnání s jinými oblastmi, jako je nos.

To má hluboký vliv na míru stresu, který žralok mako zažívá při plavání. Je to způsobeno tažným tlakem oddělení toku kolem objektu, jako je letadlo nebo tělo žraloka mako, když se pohybuje vodou. K tomu dochází, když tekutina odtéká z povrchu těla a vytváří víry a víry, které brání pohybu těla. Zuby se mohou skládat do žraločí kůže pod úhlem větším než 40 stupňů od jeho těla – ale pouze ve směru proti proudu (tj. od ocasu k nosu). Tím se řídí stupeň oddělení toku, podobně jako důlky na golfovém míčku. Tečkování, neboli šupiny v případě žraloka mako, pomáhá udržovat vázané proudění kolem těla, což snižuje velikost pohotovosti.

Krevetka bahenní zvyšuje dopředný pohon díky tuhosti a zvětšené ploše nohou. Mají také dva mechanismy snižující odpor: nohy jsou dvakrát pružnější během zotavovacího zdvihu a silněji se ohýbají, což má za následek méně přímé interakce s vodou a méně brázd (menší víry); A místo toho, aby se tři nohy pohybovaly samostatně, jejich nohy se v podstatě pohybují jako jedna, což výrazně snižuje odpor.

Bylo také provedeno mnoho studií zkoumajících mimo jiné biomechaniku, kineziologii a tvar ploutví tučňáků. Prabaměsíc a kol. Konkrétně se chtěl ponořit do hydrodynamiky toho, jak mávající křídlo generuje dopředný tah. Podle autorů vodní živočichové typicky používají dva základní mechanismy pro vytváření tahu ve vodě. Jeden je založen na odporu, jako veslování, a je vhodný pro pohyb při nízkých rychlostech. Pro vyšší rychlosti používají mechanismus založený na levitaci a flutteru, u kterého se ukázalo, že je efektivnější při generování tahu.

Na jedné úrovni jsou křídla tučňáků v podstatě opeřená křídla letadla, pouze kratší a plošší jako ploutve nebo pádla, s krátkým huňatým peřím, které pomáhá zachycovat vzduch, aby se snížilo tření a turbulence. Tučňáci mohou také změnit úhel svých křídel (aktivní křídelní pera), aby snížili odpor, když potřebují upravit svou polohu při plavání spolu s náklonem a třepetáním. Ve skutečnosti je tučňákovo křídlo podle autorů poměrně geometricky složité. Existuje vnitřní část, ve které se vzdálenost mezi přední (přední) hranou a odtokovou (zadní) hranou zvětšuje dále od vykořenit; střední část, kde je špička přibližně rovnoběžná s prostorem mezi špičkou křídla a špičkou křídla; a vnější část, kde je odtoková hrana křídla konkávní.

Tým studoval filmy plavání tučňáků v kombinaci s analýzou dvourozměrného pohybu ze strany. Tato data jim pomohla vytvořit hydrodynamický model pro simulaci komplexních sil a proudění kolem křídel, zahrnující proměnné, jako je amplituda, frekvence a směr klapky a per, stejně jako rychlost a viskozita tekutého média. Použili poměr rychlosti tahu k rychlosti vpřed k modelování pohybu křídla a přidali novou proměnnou, kterou nazývají „úhel tahu“, který je v podstatě určen úhlem náběhu a úhlem křídel vzhledem k dopřednému směru.

Prabaměsíc a kol. dospěl k závěru, že tučňáci používají při plavání pohonný mechanismus založený na zdvihu. Kromě toho pohyb peří je v podstatě způsob, jakým tučňáci produkují tak silný dopředný tah ve vodě. Optimální amplituda během gradace generuje největší tah. Tučňáci jsou zjevně experti na nalezení této sladké tečky.

Pokud je však příliš velká kapacita, způsobí to negativní impuls. Když křídla mávnou, vytvářejí víry, zejména a Spirála náběžné hrany (LEV) Na střeše pavilonu je Prapamonthon a kol. Bylo zjištěno, že hraje důležitou roli při generování vztlaku i tahu. „Například ve spodním zdvihu zavedení úhlu lopatek zeslabuje intenzitu místního odsávacího větrání na horní palubě (na sací straně) a snižuje zdvih,“ napsali autoři. „Nicméně nadměrný úhel praporování posouvá spodní povrch na stranu sání, což má za následek nižší úroveň místního odsávání v blízkosti kořene. Tento posun by mohl vysvětlit negativní tah způsobený nadměrným rozšířením lopatek.“

DOI: Physics of Fluids, 2023. 10,1063 / 5,0147776 (o DOI).