Гідродинаміки навчать риб швидко плавати

У своєму новому дослідженні американські гідродинаміки знайшли основні фізичні параметри, які визначають оптимальний режим плавання риб і водних ссавців. Виявилося, що максимальна швидкість досягається при мінімальних зусиллях, якщо відношення амплітуди коливання хвоста тварини до довжини її тіла становить від 10 до 30 відсотків. Дослідження опубліковано в.

Рух риби за рахунок хвостового плавника досить добре оптимізовано: при мінімальних витратах енергії вони досягають максимальної швидкості. До останнього часу вважалося, що вдається їм це 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 плавню визначається двома параметрами: крім числа Струхаля важливим також є відносини амплітуди коливань хвоста до довжини тіла, і більш важливим з них 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 і скумбрії.

Теоретичні оцінки показали, що при відносно маленьких швидкостях, коли сила опору прямо пропорційна швидкості, число Струхаля падає при зростанні швидкості. Але коли величина швидкості піднімається вище критичної, опір стає пропорційним 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 і в'язкістю рідини. Однак вдалося показати, що при такому плаванні швидкість руху виявляється пропорційна частоті коливань хвостого плавника, 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 мотору, за допомогою якого фольга здійснювала коливальні рухи з певною амплітудою, і помістили в потік рідини. Одночасні вимірювання швидкості рідини, амплітуди і частоти коливань фольги підтвердили існування оптимального значення ставлення амплітуди коливань до довжини тіла в районі 25 відсотків.

Фінальною частиною роботи було порівняння отриманих теоретичних і лабораторних результатів з 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. Більш того, воно дуже слабо залежить і від виду тварини. А знайдене значення оптимальної амплітуди коливань хвоста підтвердилося: якщо риба пливе досить швидко, то витрачати найменше сил вона буде, коли трясе своїм хвостом з амплітудою від 10 до 30 відсотків від довжини свого тіла.

Раніше ми писали, що заощадити сили при плаванні риби можуть і іншими способами, наприклад, плаваючи на боці.