Физика како Гентоо пингвини могу да пливају тако брзо под водом – Арс Тецхница

Гентоо пингвини Оне су најбрже птице које пливају на свету, трче максималном подводном брзином до 36 км/х (око 22 мпх). То је зато што су њихова крила еволуирала у пераје које су савршене за кретање кроз воду (иако су углавном бескорисне за летење кроз ваздух). Физичари су сада користили рачунарско моделирање хидродинамике пингвинових крила да би стекли додатни увид у силе и токове које та крила стварају под водом. Закључили су да је способност пингвина да мења угао својих крила док плива најважнија варијабла за стварање потиска, према Последњи папир Објављено у часопису Јоурнал оф Флуид Пхисицс.

„Врхунска способност пингвина да покрећу/коче, убрзавају/успоравају и брзо скрећу захваљујући њиховим слободно машућим крилима,“ рекао је коаутор Прасерт Прапамонтхон са Технолошког института Кинг Монгкут Ладкрабанг у Бангкоку, Тајланд. „Они дозвољавају пингвинима да се крећу и маневришу у води и одржавају равнотежу на копну. Наш истраживачки тим је увек био радознао о еволуираним створењима у природи која би била корисна за човечанство.“

Научници су одувек били заинтересовани за проучавање водених животиња. Таква истраживања могу довести до нових дизајна који смањују отпор авиона или хеликоптера. Или би то могло помоћи у изградњи био-инспирисаних робота који су ефикаснији за истраживање и праћење подводног окружења – као што је Робоцриллмали, једноножни, 3Д штампан робот дизајниран да опонаша кретање ноге крил Тако да се можете несметано кретати у подводном окружењу.

Водене врсте су еволуирале на различите начине како би побољшале своју ефикасност током пловидбе кроз воду. На пример, мако ајкуле могу да пливају брзином од 70 до 80 миља на сат, због чега су добили надимак „леопарди океана“. У 2019, научници су показали да је главни фактор у томе како мако ајкуле могу да се крећу тако брзо јединствена структура њихове коже. Имају мале прозирне љуске, величине око 0,2 милиметра, звани „зуби“ по целом телу, посебно концентрисано у крилима и перајима. Ваге су флексибилније у овим областима у поређењу са другим областима као што је нос.

Ово има дубок утицај на степен стреса који мако ајкула доживљава док плива. То је узроковано повлачењем притиска одвајање тока око предмета, као што је авион или тело мако ајкуле док се креће кроз воду. То се дешава када течност отиче са површине тела, формирајући вртлоге и вртлоге који ометају кретање тела. Зуби се могу савијати у кожу ајкуле под угловима већим од 40 степени у односу на њено тело – али само у правцу против струјања (то јест, од репа до носа). Ово контролише степен одвајања тока, слично рупицама на лопти за голф. Чепкање, или љуска у случају мако ајкуле, помаже у одржавању везаног тока око тела, што смањује величину упозорења.

Козице из мочварне траве повећавају погон напред захваљујући крутости и повећаној површини ноге. Такође имају два механизма за смањење отпора: ноге су двоструко флексибилније током опоравка и јаче се савијају, што резултира мање директне интеракције са водом и мање буђења (мањих вртлога); И уместо да се три ноге крећу одвојено, њихове ноге се у основи крећу као једна, што у великој мери смањује отпор.

Такође је било много студија које су испитивале биомеханику, кинезиологију и облик пераја пингвина, између осталих фактора. Прабамонтхон ет ал. Посебно је желео да се удуби у хидродинамику начина на који замахнуто крило генерише потисак напред. Према ауторима, водене животиње обично користе два основна механизма за стварање потиска у води. Један је заснован на превлачењу, попут веслања, и веома је погодан за кретање при малим брзинама. За веће брзине користе механизам заснован на левитацији, за који се показало да је ефикаснији у стварању потиска.

На једном нивоу, крила пингвина су у суштини перната крила авиона, само краћа и равнија попут пераја или весла, са кратким, жбунастим перјем које помаже да се задржи ваздух како би се смањило трење и турбуленција. Пингвини такође могу да мењају угао својих крила (активно перје крила) како би смањили отпор када треба да прилагоде свој положај пливања, заједно са нагибом и лепршањем. У ствари, крило пингвина је прилично геометријски сложено, према ауторима. Постоји унутрашњи део у коме се растојање између предње (предње) ивице и задње (задње) ивице повећава даље од корен; средњи део где је врх приближно паралелан са простором између врха крила и врха крила; и спољашњи део, где је задња ивица крила конкавна.

Тим је проучавао филмове о пливању пингвина, у комбинацији са анализом дводимензионалног кретања са стране. Ови подаци су им помогли да направе хидродинамички модел за симулацију сложених сила и токова око крила, укључујући варијабле као што су амплитуда, фреквенција и правац преклопа крила и перја, као и брзина и вискозност течног медијума. Користили су однос брзине потиска и брзине напред за моделирање кретања крила и додали нову променљиву коју називају „угао потиска“, који је у основи одређен нападним углом и углом крила у односу на смер напред.

Прабамонтхон ет ал. закључили да пингвини користе погонски механизам заснован на подизању док пливају. Штавише, кретање перја је у суштини начин на који пингвини производе тако снажан потисак напред у води. Оптимална амплитуда током градације ствара највећи потисак. Пингвини су очигледно стручњаци у проналажењу те слатке тачке.

Међутим, ако постоји превелики капацитет, то ће изазвати негативан импулс. Када замахну крила, они производе вртлоге, а највише а Водећа спирала (ЛЕВ) На крову павиљона је Прапамонтхон ет ал. Утврђено је да игра важну улогу у стварању и подизања и потиска. „У доњем ходу, на пример, увођење угла лопатице слаби интензитет локалне издувне вентилације на горњој палуби (усисна страна) и смањује подизање“, написали су аутори. „Међутим, превелики угао перјања помера доњу површину на усисну страну, што резултира нижим нивоом локалне издувне вентилације у близини корена. Овај помак би могао објаснити негативан потисак узрокован прекомерним проширењем лопатица.“

ДОИ: Физика флуида, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (о ДОИ).