211service.com
Vi vet endelig hvordan fisk svømmer så fort
Når det kommer til svømming, viser fisk en uanstrengt nåde og kraft som mennesker bare kan drømme om. Mens den raskeste fisken svømmer i opptil 70 miles per time, har ingen mennesker noensinne klart engang 4 mph i vann. Selv de raskeste ubåtene har en topphastighet på bare 50 mph.
Nøyaktig hvordan fisk klarer denne bragden er noe mystikk. Fysikere, biologer og ingeniører har lenge undret seg over den karakteristiske bølgende bevegelsen og de hydrodynamiske kreftene den genererer. Faktisk har de to teorier om hydrodynamisk fremdrift for å forklare det, selv om de stammer fra 1950- og 60-tallet. Men ingen har funnet ut hva som er riktig.
I dag endrer det seg takket være arbeidet til Tingyu Ming ved Beijing Computational Science Research Center i Kina og forskjellige kolleger. Disse karene har modellert fiskefremdrift på en superdatamaskin og kalibrert resultatene ved å bruke detaljerte målinger av bevegelsen til ekte fisk. Modellen deres forklarer for første gang hvordan fisk genererer skyvekraft og til og med hvorfor visse anatomiske strukturer, som sener, er så viktige.
Først litt bakgrunn. I den karakteristiske bølgende svømmebevegelsen til fisk trekker musklene seg sekvensielt sammen langs kroppen for å generere en bakovergående bølge av kroppsbøyning. Dette presser mot vannet og gir skyvekraft.
Men nøyaktig hvordan denne fremstøt oppstår er noe av et puslespill. I 1952 vurderte den britiske fysikeren Geoffrey Taylor samspillet mellom hvert segment av en fiskekropp og vann. Ideen hans var at hvert segment genererer drag, en motstand mot bevegelse. Når segmentet bølger, er luftmotstanden større i en vinkelrett retning på kroppen enn parallelt med den. Resultatet er skyv i parallell retning, eller fremover. Denne ideen er kjent som motstandskraftteori.
Men i 1960 la en britisk matematiker, James Lighthill, frem en annen idé der den dominerende effekten er treghet i vannet. Dette gjør at en flat plate kan generere skyvekraft ved å vinke med en liten amplitude. Dette er kjent som forlenget kroppsteori.
Hovedforskjellen mellom disse teoriene er typen kraft som genereres. For Taylor er det motstandskraft, som virker i motsatt retning av bevegelse av en kropp, men er i fase med den hastigheten. For Lighthill er det reaktiv kraft, som virker i motsatt retning av en handlingskraft og er i fase med akselerasjonen.
Det kan virke som en subtil forskjell, men det er nøkkelen til å forstå fiskens fremdrift og å reprodusere den kunstig. Derfor er det viktig å vite hvilken teori du skal bruke.
For å finne ut av det laget Tingyu og co en 3D-beregningsmodell for væskedynamikk av to typer fisk: anguilliforme svømmere som ål og karangiforme svømmere som makrell. Hovedforskjellen er at anguilliforme bølger hele kroppen, mens bare den bakre halvdelen av karangiforme kropper bøyer seg betydelig.
Teamet brukte ekte studier av fiskens bevegelser for å kalibrere modellene sine og beregnet deretter kraften, dreiemomentet og kraften generert av hver type kroppsform.
Resultatene gir interessant lesning. Det viser seg at begge teoriene er riktige, men for forskjellige kroppsformer og til og med for forskjellige deler av disse kroppene.
For eksempel, for både svømmere av makrelltype og svømmere av ål, er motstandskrefter viktigere i den midtre delen av kroppen, som er relativt jevn og jevn. Men reaktive krefter spiller en mye større rolle nær halen til svømmere av makrelltypen.
Elastisitet spiller også en viktig rolle. Ingen har vært i stand til å måle elastisiteten til fiskekropper mens de svømmer, men konsensus er at elastisiteten må bidra til å lagre energi og forbedre effektiviteten til svømming.
Tingyu og cos modell gir litt innsikt også her, ved å vise hvordan elastisiteten varierer med kraften og kraften som genereres av kroppen. Forskerne viser hvordan ål og makrell må bli elastiske på forskjellige steder i kroppen og på forskjellige punkter under hver bølgende syklus. Denne observasjonen er i samsvar med funnene fra tidligere studier om at passende elastisitet kan spare og gjenopprette energi for å forbedre effektiviteten, sier de.
Det reiser spørsmålet om hvordan denne energioverføringen skjer gjennom fiskekropper. En av de forvirrende anatomiske egenskapene til svømmere av makrelltype er at de har sener som strekker seg langs kroppen mot halen. Hvis hver ryggvirvel fungerte som en uavhengig enhet, som Taylors teori antyder, ville denne typen sener ikke være nødvendig.
Men i den nye modellen utviklet av Tingyu og co, er det akkurat det som trengs. Vi antar at disse lange senene brukes til å overføre energi, sier de.
Det er interessant arbeid, og ikke bare fordi det gir et detaljert innblikk i en av de vanligste formene for fremdrift i den naturlige verden. Det viser seg at fiskefremdrift er langt mer kompleks enn først antatt, og antagelig tilsvarende vanskelig å reprodusere kunstig.
Men arbeidet til Tingyu og co tilbyr en vei videre for bioingeniører som håper å reprodusere fiskefremdrift i kunstige enheter. Det kan en dag hjelpe ubåter til å reise raskere også. Mennesker har mye å ta igjen!
Ref: arxiv.org/abs/1812.02410 : Hvordan fiskekraftsvømming: en 3D-beregningsstudie for væskedynamikk