Выпученные глаза скатов физики назвали преимуществом для плавания

Впрочем, несколько гидродинамических симуляций и похожая на ската гибкая пластина продемонстрировали, что такие выступления, наоборот, создают вихри, только ускоря движение. Свои выводы ученые опубликовали в Physics of Fluids и планируют использовать найденное гидродинамическое преимущество для роботов и микрофлюидних систем. Большинство исследований сосредотачиваются на скатах. И это неудивительно, ведь эволюция наделила их всеми качествами для эффективного преобразования турбулентного потока в ламинарный. Гидродинамические преимущества скатов состоит в том, что строение их тела позволяет использовать особые стили плавания и ускорять потоки воды у поверхности тела или уменьшать ее сопротивление при движении. Например, они могут создавать волнообразные движения. Впрочем, если с ролью плоского ромбо, или дискообразного тела с гибкими плавниками согласиться можно, то вот выпуклые глаза и рот не давали ученым покоя — они выглядят неуместными.

Нет, конечно ученые понимают, что ими природа скатов наделила для лучшего зрения и возможности ловить большую добычу. Но, возможно, чтобы и этот, на первый взгляд, недостаток, был еще одним преимуществом? Так, например, в тунца также выпуклый киль на хвосте, и то, как выяснили физики ранее, повышает рыбе скорость. Поэтому ученые Корейского института науки и технологий исследовали ската глаза, построили подобную ему модель и провели несколько гидродинамических симуляций, чтобы выяснить, может ли строение тела ската быть настолько совершенной, чтобы и выпуклые рот и глаза служили ускорителями в плавании.

Чтобы исследовать как нечто взаимодействует с жидкостями, следует знать, какое давление образуется вокруг тела, как потоки его обходят, число Рейнольдса, характеризующий вязкость жидкости и ее взаимодействие с силами инерции, и многие другие параметры. Поэтому ловить ската и смотреть, как он плавает — плохой вариант. Поэтому ученые смоделировали его тело как гибкую пластину с выступлениями и пустили ее плавать в гидродинамическую симуляцию. Чтобы оценить движение своей модели, они обратились к методу погруженных границ (immersed boundary method), описывающий взаимодействия между жидкостью и объектом, который она обтекает, и позволяет использовать для расчета быстрые вычислительные методы, ведь вся сложность моделирования такой сложной системы сводится только к этапу с погруженным рубежом.

Сила воздействия погруженной границы в жидкость исчисляется на основе расположения расчетных точек и того, как они меняют течение, силу напряжения и давление. Исследовательская модель умеет колебаться и горизонтально двигаться, а ее выступления, заменяли глаза и рот воображаемого ската, и были теми границами, влияние воды на исследовавшие. Для сравнения ученые создали и «идеального» ската, глаза и рот которого были скрыты и не нарушали плоскость фигуры. Гидродинамические преимущества или недостатки рассчитывали со средней скоростью, мощностью и эффективностью созданной тяги в зависимости от размаха и частоты колебания «плавников», вокруг которых также измеряли давление и образованные во время плавания завихрения.

Главным выводом моделирования стал тот факт, что, казалось бы, идеальная пластина, которая благодаря своей плоской форме, должна иметь высокую эффективность, проиграла по всем параметрам той, что была похожа на настоящих скатов и имела выступления. Анализ показал, что выпученные глаза способны ускорять ската по крайней мере на 20,5%, а рот — 10,6%. Этот результат означает, что гидродинамическая преимущество скатов в воде несомненно зависит и от их, на первый взгляд, недостатков. Физики обнаружили, что выступления заставляют потоки воды создавать вихри. Один из них проталкивает воду к задней части тела, оставляя перед собой область с более низким давлением. Она и способствует ускорению во время плавания, несмотря на большее сопротивление через выпуклые глаза и рот. Параллельно появляется второй вихрь, повышал давление под скатом, что помогло с каждым гребком плавника наращивать скорость. Основная тяга создается взаимодействием этих продольных и поперечных выходов, обусловливающие разницу давления над и под скатом. Вихри появляются благодаря тому, что скаты не крутят глазами, но при этом способны подвергаться воде благодаря своей пластичности.

Перевод материала nauka.ua