Защо рибите плуват толкова бързо?
Докато най-бързият човек на планетата доближава скорост от 10 км/ч във водата, а най-бързата подводница – 80 км/ч, то рибата меч напълно умерено доближава 100 км/ч по време на лов.
Как рибите плуват толкоз бързо?
Този на пръв взор обикновен въпрос тормози научната общественост повече от пет десетилетия. През 2018 година екипът на Тингю Мин от Изследователския център за компютърни науки в китайската столица Пекин дава отговор на този въпрос, изработвайки най-достоверния до този миг модел за придвижването на рибите.
До тогава общността била разграничена сред две съществени теории.
Първата е препоръчана през 1952 година от физика Джефри Тейлър, а втората – през 1960 година от математика Джеймс Лайтхил. Ключовата разлика сред двете се състои в генерираната от животното мощ, която съгласно създателите на тези теории изяснява механизма на самото плуване.
Според Тейлър тази мощ е съпротивителна, която работи в противоположна посока на придвижване на тялото, само че пък е непосредствено обвързвана със скоростта. Според Лайтхил става дума за реактивна мощ, която работи в противоположна посока на силата на деяние и има общо с ускорението. Тази разлика може и да наподобява минимална, само че е основна за разбирането на придвижването на рибите и неговото изкуствено възпроизвеждане.
Теорията на Тейлър, още позната като теорията на съпротивителната мощ, счита, че импулсът произлиза от интеракцията сред повърхността на тялото на рибата с водата. Водата е вискозна течност и заради това тя провокира противодействие на придвижването. Идеята на Тейлър е, че кожата на рибата, която е разграничена на доста дребни сегменти, генерира противодействие, само че, защото всеки един сегмент провокира оживление на водата, съпротивлението е по-голямо в перпендикулярна посока на тялото в сравнение с паралелно на него. Резултатът е подтик в успоредна посока, т.е. напряко.
Теорията на Лайтхил е малко по-сложна. Нека си представим една топка, която се движи под водата. Вискозитетът на водата в този случай провокира появяването на дребни блокчета течност, които се влачат, образувайки вихри, които пък се движат в противоположна посока на тази, в която се мести топката. Вследствие на това ставаме очевидци на събитие, познато от динамичността на течностите като улицата от вихри на Карман. В една естествена среда биха се появили доста и разнообразни по мярка вихри.
Wonderful display of a von Karman vortex street on Guadalupe Island.
— CIRA (@CIRA_CSU)
В този модел вихрите се въртят по следите на топката, генерирайки мощ или подтик, тъй че тя се помества. Във физиката съществува закон, който гласи, че в една затворена система (в която не работят външни сили) сумата от линейните импулси е постоянно константа. Поради тази причина, с цел да се резервира общото количество на линейните импулси, тази мощ се извлича от самото изместване на топката, което я кара да губи скорост.
Това е повода подводниците да се нуждаят от мощни нуклеарни мотори, с цел да могат да се движат с висока скорост на огромни дистанции, преодолявайки вискозитета на водата. Рибите обаче са способни да се възползват от същия този принцип в своя изгода. С помощта на опашката си те трансформират позицията на вихрите и по този начат генерират мощ в противоположната посока на придвижването си. Резултатът е мощ, която „ побутва “ рибата като един мотор, образуван от комбинираното деяние на дребните вихри. Този вид мощ е позната в науката като реактивна мощ.
За да ревизират коя от двете теории е по-достоверна, Тингю Мин и неговият екип основават тримерен компютърен хидродинамичен модел за две риби: плувци от вида на змиорките и плувци от вида на скумрията и рибата звук. Първият вид огъва цялото си тяло, до момента в който се движи, до момента в който вторият тип огъват единствено задната си половина. Екипът употребява действителни данни за придвижването на рибите за направата на своите модели и по този метод пресмята генерираната мощ за всеки един от типовете.
Този толкоз акуратен модел демонстрира, че и двете теории са правилни: съгласно типа риба и в това число съгласно частта на тялото на рибата, върху която се фокусираме, важи описанието на едната или другата доктрина. Например, и за скумрията, и за змиорката, съпротивителните сили са най-важни в средата на тялото, само че реактивните сили са решаващи наоколо до опашките.
Изследването на китайските учени демонстрира, че напредването на рибите е доста по-сложно от това, което сме предполагали, и то е също толкоз мъчно да бъде възпроизведено по неестествен метод. Въпреки че проучванията в тази тенденция са към момента в начална фаза, те са една добра теоритична основа за бъдещето развиване на по-бързи подводници и на по-ефикасни подводни транспортни средства, които да създадат проучването на океаните не толкоз инвазивно и замърсяващо околната среда.
Как рибите плуват толкоз бързо?
Този на пръв взор обикновен въпрос тормози научната общественост повече от пет десетилетия. През 2018 година екипът на Тингю Мин от Изследователския център за компютърни науки в китайската столица Пекин дава отговор на този въпрос, изработвайки най-достоверния до този миг модел за придвижването на рибите.
До тогава общността била разграничена сред две съществени теории.
Първата е препоръчана през 1952 година от физика Джефри Тейлър, а втората – през 1960 година от математика Джеймс Лайтхил. Ключовата разлика сред двете се състои в генерираната от животното мощ, която съгласно създателите на тези теории изяснява механизма на самото плуване.
Според Тейлър тази мощ е съпротивителна, която работи в противоположна посока на придвижване на тялото, само че пък е непосредствено обвързвана със скоростта. Според Лайтхил става дума за реактивна мощ, която работи в противоположна посока на силата на деяние и има общо с ускорението. Тази разлика може и да наподобява минимална, само че е основна за разбирането на придвижването на рибите и неговото изкуствено възпроизвеждане.
Теорията на Тейлър, още позната като теорията на съпротивителната мощ, счита, че импулсът произлиза от интеракцията сред повърхността на тялото на рибата с водата. Водата е вискозна течност и заради това тя провокира противодействие на придвижването. Идеята на Тейлър е, че кожата на рибата, която е разграничена на доста дребни сегменти, генерира противодействие, само че, защото всеки един сегмент провокира оживление на водата, съпротивлението е по-голямо в перпендикулярна посока на тялото в сравнение с паралелно на него. Резултатът е подтик в успоредна посока, т.е. напряко.
Теорията на Лайтхил е малко по-сложна. Нека си представим една топка, която се движи под водата. Вискозитетът на водата в този случай провокира появяването на дребни блокчета течност, които се влачат, образувайки вихри, които пък се движат в противоположна посока на тази, в която се мести топката. Вследствие на това ставаме очевидци на събитие, познато от динамичността на течностите като улицата от вихри на Карман. В една естествена среда биха се появили доста и разнообразни по мярка вихри.
Wonderful display of a von Karman vortex street on Guadalupe Island.
— CIRA (@CIRA_CSU)
В този модел вихрите се въртят по следите на топката, генерирайки мощ или подтик, тъй че тя се помества. Във физиката съществува закон, който гласи, че в една затворена система (в която не работят външни сили) сумата от линейните импулси е постоянно константа. Поради тази причина, с цел да се резервира общото количество на линейните импулси, тази мощ се извлича от самото изместване на топката, което я кара да губи скорост.
Това е повода подводниците да се нуждаят от мощни нуклеарни мотори, с цел да могат да се движат с висока скорост на огромни дистанции, преодолявайки вискозитета на водата. Рибите обаче са способни да се възползват от същия този принцип в своя изгода. С помощта на опашката си те трансформират позицията на вихрите и по този начат генерират мощ в противоположната посока на придвижването си. Резултатът е мощ, която „ побутва “ рибата като един мотор, образуван от комбинираното деяние на дребните вихри. Този вид мощ е позната в науката като реактивна мощ.
За да ревизират коя от двете теории е по-достоверна, Тингю Мин и неговият екип основават тримерен компютърен хидродинамичен модел за две риби: плувци от вида на змиорките и плувци от вида на скумрията и рибата звук. Първият вид огъва цялото си тяло, до момента в който се движи, до момента в който вторият тип огъват единствено задната си половина. Екипът употребява действителни данни за придвижването на рибите за направата на своите модели и по този метод пресмята генерираната мощ за всеки един от типовете.
Този толкоз акуратен модел демонстрира, че и двете теории са правилни: съгласно типа риба и в това число съгласно частта на тялото на рибата, върху която се фокусираме, важи описанието на едната или другата доктрина. Например, и за скумрията, и за змиорката, съпротивителните сили са най-важни в средата на тялото, само че реактивните сили са решаващи наоколо до опашките.
Изследването на китайските учени демонстрира, че напредването на рибите е доста по-сложно от това, което сме предполагали, и то е също толкоз мъчно да бъде възпроизведено по неестествен метод. Въпреки че проучванията в тази тенденция са към момента в начална фаза, те са една добра теоритична основа за бъдещето развиване на по-бързи подводници и на по-ефикасни подводни транспортни средства, които да създадат проучването на океаните не толкоз инвазивно и замърсяващо околната среда.
Източник: vesti.bg
КОМЕНТАРИ