Η φυσική του πώς οι πιγκουίνοι Gentoo μπορούν να κολυμπήσουν τόσο γρήγορα υποβρύχια – Ars Technica

Πιγκουίνοι Gentoo Είναι τα πιο γρήγορα που κολυμπούν στον κόσμο, τρέχοντας με μέγιστη υποβρύχια ταχύτητα έως και 36 km/h (περίπου 22 mph). Αυτό συμβαίνει επειδή τα φτερά τους έχουν εξελιχθεί σε βατραχοπέδιλα που είναι τέλεια για να κινούνται μέσα στο νερό (αν και σε μεγάλο βαθμό άχρηστα για να πετούν στον αέρα). Οι φυσικοί έχουν πλέον χρησιμοποιήσει υπολογιστική μοντελοποίηση της υδροδυναμικής των φτερών των πιγκουίνων για να αποκτήσουν πρόσθετη εικόνα για τις δυνάμεις και τις ροές που δημιουργούν αυτά τα φτερά υποβρύχια. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η ικανότητα του πιγκουίνου να αλλάζει τη γωνία των φτερών του ενώ κολυμπά είναι η πιο σημαντική μεταβλητή για τη δημιουργία ώθησης, σύμφωνα με Το τελευταίο χαρτί Δημοσιεύτηκε στο Journal of Fluid Physics.

“Η ανώτερη ικανότητα των πιγκουίνων κολύμβησης να ξεκινούν/φρενάρουν, να επιταχύνουν/επιβραδύνουν και να στρίβουν γρήγορα οφείλεται στα φτερά τους που κυματίζουν ελεύθερα.” είπε ο συν-συγγραφέας Prasert Prapamonthon από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας King Mongkut Ladkrabang στην Μπανγκόκ της Ταϊλάνδης. “Επιτρέπουν στους πιγκουίνους να κινούνται και να ελίσσονται στο νερό και να διατηρούν την ισορροπία στην ξηρά. Η ερευνητική μας ομάδα ήταν πάντα περίεργη για τα εξελιγμένα πλάσματα στη φύση που θα ήταν ωφέλιμα για την ανθρωπότητα.”

Οι επιστήμονες ανέκαθεν ενδιαφέρονταν να μελετήσουν τα υδρόβια ζώα. Μια τέτοια έρευνα θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα σχέδια που μειώνουν την αντίσταση των αεροσκαφών ή των ελικοπτέρων. Ή θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή ρομπότ βιολογικής έμπνευσης που είναι πιο αποτελεσματικά στην εξερεύνηση και παρακολούθηση υποβρύχιων περιβαλλόντων — όπως π.χ. Robocrillένα μικρό, με ένα πόδι, τρισδιάστατο εκτυπωμένο ρομπότ σχεδιασμένο να μιμείται την κίνηση ενός ποδιού κριλ Έτσι μπορείτε να κινείστε ομαλά σε υποβρύχια περιβάλλοντα.

Τα υδρόβια είδη έχουν εξελιχθεί με διάφορους τρόπους για να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητά τους κατά την πλοήγηση στο νερό. Για παράδειγμα, οι καρχαρίες mako μπορούν να κολυμπήσουν με ταχύτητες 70 έως 80 μίλια την ώρα, δίνοντάς τους το παρατσούκλι «λεοπαρδάλεις του ωκεανού». Το 2019, οι επιστήμονες έδειξαν ότι ένας σημαντικός παράγοντας στο πώς οι καρχαρίες mako μπορούν να κινούνται τόσο γρήγορα είναι η μοναδική δομή του δέρματός τους. Έχουν μικρά διαφανή λέπια, μεγέθους περίπου 0,2 χιλιοστών, που ονομάζεται “δόντια” σε όλο το σώμα, ιδιαίτερα συγκεντρωμένο στα φτερά και στα πτερύγια. Η ζυγαριά είναι πιο εύκαμπτη σε αυτές τις περιοχές σε σύγκριση με άλλες περιοχές όπως η μύτη.

Αυτό έχει βαθιά επίδραση στον βαθμό στρες που βιώνει ο καρχαρίας mako ενώ κολυμπά. Προκαλείται από πίεση έλξης διαχωρισμός ροής γύρω από ένα αντικείμενο, όπως ένα αεροπλάνο ή το σώμα ενός καρχαρία mako καθώς κινείται μέσα στο νερό. Αυτό συμβαίνει όταν το υγρό ρέει μακριά από την επιφάνεια του σώματος, σχηματίζοντας δίνες και δίνες που εμποδίζουν την κίνηση του σώματος. Τα δόντια μπορούν να διπλωθούν στο δέρμα του καρχαρία σε γωνίες άνω των 40 μοιρών από το σώμα του – αλλά μόνο προς την αντίθετη κατεύθυνση (δηλαδή από την ουρά στη μύτη). Αυτό ελέγχει τον βαθμό διαχωρισμού της ροής, παρόμοια με τα λακκάκια σε μια μπάλα του γκολφ. Το ραβδί, ή τα λέπια στην περίπτωση του καρχαρία mako, βοηθά στη διατήρηση της δεσμευμένης ροής γύρω από το σώμα, γεγονός που μειώνει το μέγεθος της εγρήγορσης.

Οι γαρίδες βαλτόχορτου αυξάνουν την πρόωση προς τα εμπρός χάρη στην ακαμψία και την αυξημένη επιφάνεια του ποδιού τους. Έχουν επίσης δύο μηχανισμούς μείωσης της οπισθέλκουσας: τα πόδια είναι δύο φορές πιο εύκαμπτα κατά τη διάρκεια της διαδρομής ανάκτησης και λυγίζουν πιο δυνατά, με αποτέλεσμα λιγότερο άμεση αλληλεπίδραση με το νερό και λιγότερες αφυπνίσεις (μικρότερες δίνες). Και αντί να κινούνται χωριστά τρία πόδια, τα πόδια τους βασικά κινούνται ως ένα, γεγονός που μειώνει σημαντικά την αντίσταση.

Υπήρξαν επίσης πολλές μελέτες που εξέτασαν τη εμβιομηχανική, την κινησιολογία και το σχήμα του πτερυγίου των πιγκουίνων, μεταξύ άλλων παραγόντων. Prabamonthon et al. Ήθελε συγκεκριμένα να εμβαθύνει στην υδροδυναμική του τρόπου με τον οποίο ένα φτερούγισμα παράγει ώθηση προς τα εμπρός. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, τα υδρόβια ζώα συνήθως χρησιμοποιούν δύο βασικούς μηχανισμούς για να δημιουργήσουν ώθηση στο νερό. Το ένα βασίζεται στην έλξη, όπως η κωπηλασία, και είναι κατάλληλο για κίνηση σε χαμηλές ταχύτητες. Για υψηλότερες ταχύτητες, χρησιμοποιούν έναν μηχανισμό που βασίζεται σε αιώρηση-πτερυγισμό, ο οποίος έχει αποδειχθεί ότι είναι πιο αποτελεσματικός στη δημιουργία ώσης.

Σε ένα επίπεδο, τα φτερά πιγκουίνου είναι ουσιαστικά φτερωτά φτερά ενός αεροπλάνου, μόνο πιο κοντά και πιο επίπεδα σαν βατραχοπέδιλα ή κουπιά, με κοντά, θαμνώδη φτερά που βοηθούν στην παγίδευση του αέρα για τη μείωση της τριβής και των αναταράξεων. Οι πιγκουίνοι μπορούν επίσης να αλλάξουν τη γωνία των φτερών τους (ενεργά φτερά φτερών) για να μειώσουν την αντίσταση όταν πρέπει να προσαρμόσουν τη στάση κολύμβησης, μαζί με το βήμα και το φτερούγισμα. Στην πραγματικότητα, το φτερό του πιγκουίνου είναι αρκετά περίπλοκο γεωμετρικά, σύμφωνα με τους συγγραφείς. Υπάρχει ένα εσωτερικό τμήμα στο οποίο η απόσταση μεταξύ του μπροστινού άκρου και του οπίσθιου άκρου αυξάνεται περισσότερο από ρίζα; το μεσαίο τμήμα όπου το άκρο είναι περίπου παράλληλο με το διάστημα μεταξύ του άκρου και του άκρου φτερού· και το εξωτερικό μέρος, όπου το οπίσθιο χείλος της πτέρυγας είναι κοίλο.

Η ομάδα μελέτησε φιλμ πιγκουίνων που κολυμπούσαν, σε συνδυασμό με ανάλυση της δισδιάστατης κίνησης από το πλάι. Αυτά τα δεδομένα τους βοήθησαν να δημιουργήσουν ένα υδροδυναμικό μοντέλο για την προσομοίωση των σύνθετων δυνάμεων και ροών γύρω από τα φτερά, ενσωματώνοντας μεταβλητές όπως το πλάτος, τη συχνότητα και την κατεύθυνση του πτερυγίου και του φτερώματος, καθώς και την ταχύτητα και το ιξώδες του ρευστού μέσου. Χρησιμοποίησαν την αναλογία της ταχύτητας ώσης προς την ταχύτητα προς τα εμπρός για να μοντελοποιήσουν την κίνηση των φτερών και πρόσθεσαν μια νέα μεταβλητή που ονομάζουν “γωνία ώθησης”, η οποία βασικά καθορίζεται από τη γωνία προσβολής και τη γωνία των φτερών σε σχέση με την προς τα εμπρός κατεύθυνση.

Prabamonthon et al. κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι πιγκουίνοι χρησιμοποιούν έναν μηχανισμό πρόωσης που βασίζεται σε ανύψωση ενώ κολυμπούν. Επιπλέον, η κίνηση των φτερών είναι ουσιαστικά ο τρόπος με τον οποίο οι πιγκουίνοι παράγουν τόσο ισχυρή ώθηση προς τα εμπρός στο νερό. Το βέλτιστο πλάτος κατά τη διαβάθμιση δημιουργεί τη μεγαλύτερη ώθηση. Οι πιγκουίνοι είναι προφανώς ειδικοί στο να βρίσκουν αυτό το γλυκό σημείο.

Ωστόσο, εάν υπάρχει πολύ μεγάλη χωρητικότητα, θα προκαλέσει αρνητική ώθηση. Όταν τα φτερά πτερύζουν, παράγουν δίνες, κυρίως α Σπειροειδής αιχμής (LEV) Στην οροφή του περιπτέρου είναι ένα Prapamonthon et al. Έχει βρεθεί ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη δημιουργία τόσο της ανύψωσης όσο και της ώσης. «Στην κάτω διαδρομή, για παράδειγμα, η εισαγωγή γωνίας πτερυγίων εξασθενεί την ένταση του τοπικού αερισμού εξάτμισης στο πάνω κατάστρωμα (πλευρά αναρρόφησης) και μειώνει την ανύψωση», έγραψαν οι συγγραφείς. “Ωστόσο, η υπερβολική γωνία φτερώματος μετατοπίζει την κάτω επιφάνεια προς την πλευρά αναρρόφησης, με αποτέλεσμα χαμηλότερο επίπεδο τοπικού εξαερισμού κοντά στη ρίζα. Αυτή η μετατόπιση θα μπορούσε να εξηγήσει την αρνητική ώθηση που προκαλείται από την υπερβολική διεύρυνση του πτερυγίου.”

DOI: Physics of Fluids, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (σχετικά με τα DOI).