Fizica modului în care pinguinii gentoo pot înota atât de repede sub apă – Ars Technica

Pinguinii Gentoo Sunt cele mai rapide păsări de înot din lume, alergând cu viteze maxime subacvatice de până la 36 km/h (aproximativ 22 mph). Acest lucru se datorează faptului că aripile lor au evoluat în aripi care sunt perfecte pentru a se deplasa prin apă (deși în mare măsură inutile pentru a zbura prin aer). Fizicienii au folosit acum modelarea computațională a hidrodinamicii aripilor pinguinului pentru a obține o perspectivă suplimentară asupra forțelor și fluxurilor pe care aceste aripi le creează sub apă. Ei au ajuns la concluzia că capacitatea pinguinului de a-și schimba unghiul aripilor în timp ce înota este cea mai importantă variabilă pentru generarea de forță, potrivit datelor. Ultima lucrare Publicat în Journal of Fluid Physics.

„Abilitatea superioară a pinguinilor care înotă de a porni/frâna, accelera/decelera și se întoarce rapid se datorează aripilor lor care flutură liber.” a spus coautorul Prasert Prapamonthon de la Institutul de Tehnologie King Mongkut Ladkrabang din Bangkok, Thailanda. „Ei permit pinguinilor să se propulseze și să manevreze în apă și să mențină echilibrul pe uscat. Echipa noastră de cercetare a fost întotdeauna curioasă despre creaturile evoluate din natură, care ar fi benefice pentru omenire”.

Oamenii de știință au fost întotdeauna interesați de studiul animalelor acvatice. Astfel de cercetări ar putea duce la noi modele care reduc rezistența aeronavelor sau a elicopterelor. Sau ar putea ajuta la construirea de roboți bio-inspirați care sunt mai eficienți pentru a explora și monitoriza mediile subacvatice – cum ar fi Robocillun robot mic, cu un singur picior, imprimat 3D, conceput să imite mișcarea unui picior krill Astfel, vă puteți deplasa fără probleme în mediile subacvatice.

Speciile acvatice au evoluat în diferite moduri pentru a-și îmbunătăți eficiența în timp ce navighează prin apă. De exemplu, rechinii mako pot înota la viteze de 70 până la 80 de mile pe oră, câștigându-le porecla de „leoparzi ai oceanului”. În 2019, oamenii de știință au arătat că un factor major în modul în care rechinii mako se pot mișca atât de repede este structura unică a pielii lor. Au solzi mici, transparente, de aproximativ 0,2 milimetri, numit „dinti” pe tot corpul, concentrat în special în aripi și aripioare. Solzii sunt mai flexibili în aceste zone în comparație cu alte zone precum nasul.

Acest lucru are un efect profund asupra gradului de stres pe care îl experimentează rechinul mako în timpul înotului. Este cauzată de presiunea de tragere separarea fluxului în jurul unui obiect, cum ar fi un avion sau corpul unui rechin mako în timp ce se deplasează prin apă. Acesta este ceea ce se întâmplă atunci când fluidul curge departe de suprafața corpului, formând vâltoare și vâltoare care împiedică mișcarea corpului. Dinții se pot plia în pielea rechinului la unghiuri de peste 40 de grade față de corpul său – dar numai într-o direcție în sus împotriva curgerii (adică de la coadă la nas). Aceasta controlează gradul de separare a fluxului, similar gropițelor de pe o minge de golf. Stippling sau solzi în cazul rechinului mako, ajută la menținerea fluxului legat în jurul corpului, ceea ce reduce dimensiunea alertei.

Creveții de iarbă de mlaștină măresc propulsia înainte datorită rigidității și suprafeței crescute a piciorului său. De asemenea, au două mecanisme de reducere a rezistenței: picioarele sunt de două ori mai flexibile în timpul cursei de recuperare și se îndoaie mai puternic, rezultând o interacțiune mai puțin directă cu apa și mai puține trezi (vârtejuri mai mici); Și în loc să se miște trei picioare separat, picioarele lor se mișcă practic ca unul, ceea ce reduce foarte mult rezistența.

Au existat, de asemenea, multe studii care examinează biomecanica, kineziologia și forma flapelor pinguinilor, printre alți factori. Prabamonthon et al. El a vrut în mod special să aprofundeze în hidrodinamica modului în care o aripă care bate generează tracțiune înainte. Potrivit autorilor, animalele acvatice folosesc de obicei două mecanisme de bază pentru a genera împingere în apă. Unul este bazat pe tracțiune, precum canotajul și este foarte potrivit pentru deplasarea la viteze mici. Pentru viteze mai mari, ei folosesc un mecanism bazat pe ridicare, flutter, care s-a dovedit a fi mai eficient la generarea de tracțiune.

La un singur nivel, aripile pinguinului sunt în esență aripi cu pene ale unui avion, doar mai scurte și mai plate ca flipperele sau paletele, cu pene scurte și stufoase care ajută la captarea aerului pentru a reduce frecarea și turbulența. Pinguinii își pot modifica, de asemenea, unghiul aripilor (pene active ale aripilor) pentru a reduce rezistența atunci când trebuie să își ajusteze postura de înot, împreună cu înclinarea și fluturarea. De fapt, aripa pinguinului este destul de complexă din punct de vedere geometric, potrivit autorilor. Există o parte internă în care distanța dintre marginea anterioară (față) și marginea posterior (spate) crește mai departe de rădăcină; secțiunea mediană în care vârful este aproximativ paralel cu spațiul dintre vârful aripii și vârful aripii; și partea exterioară, unde marginea de fugă a aripii este concavă.

Echipa a studiat filme cu pinguini care înot, combinate cu analiza mișcării bidimensionale din lateral. Aceste date i-au ajutat să construiască un model hidrodinamic pentru a simula forțele și fluxurile complexe din jurul aripilor, încorporând variabile precum amplitudinea, frecvența și direcția clapetei aripii și a penelor, precum și viteza și vâscozitatea mediului fluid. Ei au folosit raportul dintre viteza de tracțiune și viteza de înaintare pentru a modela mișcarea aripii și au adăugat o nouă variabilă pe care o numesc „unghiul de tracțiune”, care este determinată practic de unghiul de atac și unghiul aripilor în raport cu direcția înainte.

Prabamonthon et al. a concluzionat că pinguinii folosesc un mecanism de propulsie bazat pe ridicare în timp ce înoată. În plus, mișcarea penelor este, în esență, modul în care pinguinii produc o împingere înainte atât de puternică în apă. Amplitudinea optimă în timpul gradării generează cea mai mare forță. Pinguinii sunt, evident, experți în găsirea acestui punct dulce.

Cu toate acestea, dacă există prea multă capacitate, va provoca un impuls negativ. Când aripile bat, ele produc vârtejuri, în special a Spirala la marginea anterioară (LEV) Pe acoperișul pavilionului este un Prapamonthon et al. Se găsește că joacă un rol important în generarea atât de portanță, cât și de forță. „În cursa inferioară, de exemplu, introducerea unui unghi de palete slăbește intensitatea ventilației locale de evacuare pe puntea superioară (partea de aspirație) și reduce portanța”, au scris autorii. „Cu toate acestea, unghiul excesiv de pene deplasează suprafața de dedesubt către partea de aspirație, rezultând un nivel mai scăzut de ventilație locală de evacuare lângă rădăcină. Această schimbare ar putea explica împingerea negativă cauzată de lărgirea excesivă a paletei”.

DOI: Fizica fluidelor, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (despre DOI).