Теперь, благодаря умным экспериментам и проницательной математике, междисциплинарная исследовательская группа раскрыла поразительную правду о том, как медузы и миноги, еще один древний вид, который волнообразно движется, как угри, перемещаются по воде с непревзойденной эффективностью.
«Это опровергает все наши предположения», – сказал Джон Дабири, профессор гражданского строительства, инженерии окружающей среды и машиностроения в Стэнфорде. «Но наши эксперименты показывают, что медузы и миноги на самом деле всасывают воду к себе, чтобы двигаться вперед, вместо того, чтобы отталкиваться от воды позади себя, как предполагалось ранее."
Это новое понимание движения в жидкостях опубликовано в статье Nature Communications, в соавторстве которой Дабири с Брэдом Геммеллом из Университета Южной Флориды, Шоном Колином из Университета Роджера Уильямса и Джоном Костелло из колледжа Провиденс.
Новая гипотеза
Дабири, инженер, и его сотрудники, все биологи, связанные с морской биологической лабораторией в Вудс-Холе, штат Массачусетс, потратили годы на изучение двигательных систем медуз и угревидных миног. Оба животных давно превратились в способных пловцов. Каждое минимальное пульсирующее или волнообразное движение помогает им преодолеть значительное расстояние.
Изучение природы в поисках подсказок для улучшения созданных человеком технологий является частью области, называемой биомиметикой, и междисциплинарные сотрудники изначально стремились найти идеи, которые могли бы улучшить конструкцию подводных лодок, кораблей и тому подобное.
Около трех лет назад Дабири начал подозревать, что ученые в корне неправильно понимали подводную тягу, что двигаться вперед, как лучшие пловцы природы, было намного сложнее, чем вращать пропеллер или пинать ногу, чтобы, так сказать, отталкиваться от воды. позади.
Вместо этого они показывают, что когда минога скользит, она создает карман с водой под низким давлением внутри каждого изгиба своего тела.
Когда вода перед миногой устремляется в этот изгиб низкого давления, поток этой воды тянет миногу вперед.
Движение медузы аналогично. Когда шлейф желе в форме зонтика схлопывается, вода перед животным тянется на корму, выталкивая медузу вперед.
Измеряя неизмеримое
Чтобы доказать свою правоту, Дабири и его сотрудники разработали эксперимент, который позволил им использовать уравнение 260-летней давности, которое помогает ученым объяснить теоретическое поведение жидкостей вокруг твердых объектов, таких как плавающие животные.
Это сложно, потому что твердые тела и жидкости очень разные.
«Взаимодействия между твердыми объектами обычно просты, как два бильярдных шара, отскакивающих друг от друга, и поэтому вы можете без особого труда вычислить силы», – сказал Дабири. «Но в жидкости каждая молекула подобна бильярдному шару, и их практически бесчисленное множество. Нет простого способа подсчитать все эти взаимодействия."
В 1755 году математик Леонард Эйлер создал уравнение для описания движения жидкости. Он сводился к взаимодействию трех переменных: времени, скорости потока и давления, оказываемого каждой молекулой жидкости на своих соседей. Время и поток было легко измерить даже тогда, но давление измерить гораздо сложнее, особенно когда животное плывет по жидкости.
Таким образом, команда Дабири создала экспериментальную систему, которая позволила им точно аппроксимировать эту переменную давления, и именно на этом достижении основывается статья.
«Все понимают, что уравнение Эйлера может эффективно описывать движение жидкости, но извлечение давления из уравнения в реальных экспериментах было давней проблемой», – сказал Дабири.
Они начали с прямоугольного акрилового резервуара шириной около 1 фута, длиной 4 фута и глубиной 6 дюймов. В воде плавали миллионы крошечных полых стеклянных шариков, которые служили посредниками для молекул воды.
Они разместили два лазера напротив друг друга на тонких сторонах прямоугольника, с высокоскоростной цифровой камерой, установленной рядом с каждым лазером.
Когда маленькие медузы и миноги плавали по аквариуму, их движения вызывали возмущение стеклянных бусинок, положение которых отслеживалось лазерами и регистрировалось цифровыми камерами за доли секунды. Затем эксперимент превратился в упражнение в вычислениях.
Время и поток могут быть точно измерены для шариков в каждый момент.
Выполнив тысячи и тысячи вычислений, команда использовала эти две точные переменные для определения третьей, неуловимой переменной давления. Они загрузили эти результаты в компьютер, который преобразовал массу данных в визуальное представление действующих сил давления.
Из этого изображения стало ясно, что карманы низкого давления, созданные на внутреннем крае каждого волнообразного движения животного, были доминирующей движущей силой, притягивая воду к животному, чтобы продвинуть его вперед.
В качестве дополнительного доказательства исследователи сравнили две партии миног одного вида.
Контрольная партия двигалась естественным волнообразным образом. Экспериментальная партия была модифицирована таким образом, что двигалась только их хвостовая часть, используя менее эффективное движение ногой, в отличие от людей-пловцов.
«Волнистость тела обычных миног выделяет их как гораздо лучших пловцов, чем у нас с вами», – сказал Дабири. "Пловцы создают высокое давление вместо всасывания.
Этого достаточно, чтобы перебраться через бассейн, но требуется гораздо больше энергии, чем всасывающее действие миног и медуз."
Продвинутые подводные аппараты
Новое понимание биомиметики может стать основой для значительного прогресса в проектировании подводных аппаратов.
«В течение почти 100 лет считалось, что имитация естественного плавания означает поиск способов создания высокого давления, чтобы оттолкнуть воду назад для толчка», – сказал Дабири. «Теперь мы понимаем, что у нас все было наоборот, и поэтому ведется поиск способов создания всасывания низкого давления для достижения более эффективного подводного движения."
Костелло, эксперт по медузам, сказал, что новые результаты показывают механизм, выбранный эволюцией для оптимизации расстояния для усилий у подводных животных.
«Животные, которые перемещаются в жидкостях, почти всегда используют гибкие, а не жесткие движущие конструкции», – сказал он. "Эта работа открывает дверь к пониманию того, почему эволюция сошлась на определенных моделях изгиба."