Физиката на това как пингвините Gentoo могат да плуват толкова бързо под вода – Ars Technica

Пингвините Gentoo Те са най-бързо плуващите птици в света, движещи се с максимална подводна скорост до 36 km/h (около 22 mph). Това е така, защото крилата им са еволюирали в плавници, които са идеални за движение във вода (макар и до голяма степен безполезни за летене във въздуха). Физиците вече са използвали изчислително моделиране на хидродинамиката на крилата на пингвините, за да получат допълнителна представа за силите и потоците, които тези крила създават под водата. Те заключиха, че способността на пингвина да променя ъгъла на крилете си, докато плува, е най-важната променлива за генериране на тяга, според Последната хартия Публикувано в Journal of Fluid Physics.

„Превъзходната способност на плуващите пингвини да тръгват/спират, ускоряват/намаляват скоростта и бързо се обръщат се дължи на техните свободно махащи крила,“ каза съавторът Прасерт Прапамонтон от King Mongkut Ladkrabang Institute of Technology в Банкок, Тайланд. „Те позволяват на пингвините да се движат и маневрират във водата и да поддържат баланс на сушата. Нашият изследователски екип винаги е бил любопитен за еволюирали същества в природата, които биха били полезни за човечеството.“

Учените винаги са се интересували от изучаването на водните животни. Подобно изследване може да доведе до нови проекти, които намаляват съпротивлението на самолети или хеликоптери. Или може да помогне за изграждането на био-вдъхновени роботи, които са по-ефективни за изследване и наблюдение на подводна среда – като напр. Robocrillмалък, еднокрак, 3D отпечатан робот, проектиран да имитира движението на крака крил Така че можете да се движите плавно в подводна среда.

Водните видове са се развили по различни начини, за да подобрят ефективността си при навигация във водата. Например акулите мако могат да плуват със скорост от 70 до 80 мили в час, което им печели прозвището „леопардите на океана“. През 2019 г. учените показаха, че основен фактор за това как акулите мако могат да се движат толкова бързо е уникалната структура на кожата им. Те имат малки прозрачни люспи с размер около 0,2 милиметра, наречени „зъби“ по цялото тяло, особено концентрирани в крилата и перките. Везните са по-гъвкави в тези области в сравнение с други области като носа.

Това има дълбок ефект върху степента на стрес, който акулата мако изпитва, докато плува. Причинява се от издърпване разделяне на потока около обект, като например самолет или тялото на акула мако, докато се движи през водата. Това се случва, когато течността се оттича от повърхността на тялото, образувайки вихри и водовъртежи, които възпрепятстват движението на тялото. Зъбите могат да се сгънат в кожата на акулата под ъгъл от повече от 40 градуса от тялото й – но само в посока срещу течението (тоест от опашката към носа). Това контролира степента на разделяне на потока, подобно на трапчинки на топка за голф. Точка или люспи в случая на акулата мако помага за поддържане на обвързан поток около тялото, което намалява размера на предупреждението.

Блатната тревна скарида увеличава задвижването напред благодарение на твърдостта и увеличената повърхност на крака си. Те също имат два механизма за намаляване на съпротивлението: краката са два пъти по-гъвкави по време на хода за възстановяване и се огъват по-силно, което води до по-малко пряко взаимодействие с водата и по-малко събуждания (по-малки вихри); И вместо три крака да се движат отделно, краката им се движат като един, което значително намалява съпротивлението.

Има също много проучвания, изследващи биомеханиката, кинезиологията и формата на плавниците на пингвините, наред с други фактори. Прабамонтон et al. Той специално искаше да се задълбочи в хидродинамиката на това как едно махащо крило генерира тяга напред. Според авторите водните животни обикновено използват два основни механизма за генериране на тяга във водата. Единият е базиран на плъзгане, като гребането, и е много подходящ за движение при ниски скорости. За по-високи скорости те използват механизъм, базиран на левитация, за който е доказано, че е по-ефективен при генериране на тяга.

На едно ниво крилата на пингвина са по същество оперени крила на самолет, само че по-къси и по-плоски като плавници или гребла, с къси, пухкави пера, които помагат за улавяне на въздуха, за да се намали триенето и турбуленцията. Пингвините също могат да променят ъгъла на крилата си (активни пера на крилата), за да намалят съпротивлението, когато трябва да коригират позата си при плуване, заедно с наклона и пърхането. Всъщност крилото на пингвина е доста сложно геометрично, според авторите. Има вътрешна част, в която разстоянието между предния (преден) ръб и задния (заден) ръб се увеличава повече от корен; средната част, където върхът е приблизително успореден на пространството между върха на крилото и върха на крилото; и външната част, където задният ръб на крилото е вдлъбнат.

Екипът изучава филми на плуващи пингвини, комбинирани с анализ на двуизмерно движение отстрани. Тези данни им помогнаха да изградят хидродинамичен модел за симулиране на сложните сили и потоци около крилата, включвайки променливи като амплитуда, честота и посока на клапата на крилото и перата, както и скоростта и вискозитета на течната среда. Те използваха съотношението на скоростта на тягата към скоростта на движение напред, за да моделират движението на крилото и добавиха нова променлива, която наричат ​​“ъгъл на тягата“, който основно се определя от ъгъла на атака и ъгъла на крилата спрямо посоката напред.

Прабамонтон et al. заключиха, че пингвините използват задвижващ механизъм, базиран на повдигане, докато плуват. Освен това движението на перата е по същество начинът, по който пингвините произвеждат такъв мощен тласък напред във водата. Оптималната амплитуда по време на градация генерира най-голяма тяга. Пингвините очевидно са експерти в намирането на това сладко място.

Въпреки това, ако има твърде голям капацитет, това ще предизвика отрицателен импулс. Когато крилата се размахват, те произвеждат вихри, най-вече a Спирала на водещия ръб (ЛЕВ) На покрива на павилиона има прапамонтон и др. Установено е, че играе важна роля в генерирането както на повдигане, така и на тяга. „При долния ход, например, въвеждането на ъгъл на лопатката отслабва интензивността на локалната смукателна вентилация на горната палуба (смукателната страна) и намалява повдигането“, пишат авторите. „Въпреки това, прекомерният ъгъл на наклон измества долната повърхност към страната на засмукване, което води до по-ниско ниво на локална изпускателна вентилация близо до корена. Това изместване може да обясни отрицателната тяга, причинена от прекомерното разширяване на лопатката.“

DOI: Физика на флуидите, 2023 г. 10.1063 / 5.0147776 (относно DOI).