Фізика
Біологія
Фізика
Біологія

Вирячені очі скатів фізики назвали перевагою для плавання

Корейські дослідники вирішили розібратися, чи заважають плаванню скатів їхні випуклі очі та рот, адже ті мають порушувати плоску симетрію тіла тварини і створювати зайвий опір. Втім, кілька гідродинамічних симуляцій та схожа на ската гнучка пластина продемонстрували, що такі виступи, навпаки, створюють вихори, що тільки прискорюють рух. Свої висновки вчені опублікували у Physics of Fluids та планують використати знайдену гідродинамічну перевагу для роботів та мікрофлюїдних систем.

Jens Petersen / Wikimedia Commons

Jens Petersen / Wikimedia Commons

Що мають фізики до очей скатів?

Більшість присвячений успішному плаванню досліджень зосереджуються на скатах. І це не дивно, адже еволюція наділила їх усіма якостями для ефективного перетворення турбулентного потоку у ламінарний. Гідродинамічні переваги скатів полягають у тому, що будова їхнього тіла дає змогу використовувати особливі стилі плавання і прискорювати потоки води у поверхні тіла або зменшувати її спротив під час руху. Наприклад, вони можуть створювати хвилеподібні чи хлопаючі рухи, що досі дослідники вважали ключем такого продуктивного пересування під водою. Втім, якщо з роллю плоского ромбо- чи дископодібного тіла з гнучкими плавниками погодитися можна, то от опуклі очі та рот не давали вченим спокою — вони виглядають недоречними.

Ні, звісно науковці розуміють, що ними природа скатів наділила не щоб сповільнити рух, а для кращого зору та можливості ловити більшу здобич. Але, чи можливо, щоб і цей, на перший погляд, недолік, був ще однією перевагою? Так, наприклад, у тунця також є випуклий кіль на хвості, і той, як з'ясували фізики раніше, підвищує рибі швидкість. Тому вчені Корейського інституту науки і технологій дослідили скатові очі, побудували подібну йому модель та провели кілька гідродинамічних симуляцій, щоб з'ясувати, чи може будова тіла ската бути настільки досконалою, щоб і випуклі рот та очі слугували прискорювачами у плаванні.

Як вчені можуть це дослідити?

Щоб дослідити, як щось взаємодіє з рідинами, варто знати, який тиск утворюється навколо тіла, як потоки його обходять, число Рейнольдса, що характеризує в'язкість рідини та її взаємодію з силами інерції, та багато інших параметрів. Тому ловити ската і дивитися, як він плаває — поганий варіант. Тож вчені змоделювали його тіло як гнучку пластину з виступами та пустили її плавати у гідродинамічну симуляцію. Щоб оцінити рух своєї моделі, вони звернулися до методу занурених кордонів (immersed boundary method), що описує взаємодії між рідиною і об'єктом, який вона обтікає, і дає змогу використовувати для розрахунку швидкі обчислювальні методи, адже вся складність моделювання такої складної системи зводиться лише до етапу із зануреним кордоном.

Сила впливу зануреного кордону на рідину обчислюється на основі розташування розрахункових точок і того, як вони змінюють течію, силу напруги і тиск. Дослідницька модель вміє коливатися та горизонтально рухатися, а її виступи, що заміняли очі та рот уявного ската, і були тими кордонами, вплив води на які досліджували. Для порівняння вчені створили і «ідеального» ската, очі та рот якого були приховані та не порушували плоскість фігури. Гідродинамічні переваги або недоліки розраховували за середньою швидкістю, потужністю та ефективністю створеної тяги залежно від розмаху та частоти коливання «плавників», навколо яких також вимірювали тиск і утворені під час плавання завихрення.

Тиск і утворені плаванням вихори рідини. Qian Mao / Physics of Fluids, 2021

Тиск і утворені плаванням вихори рідини. Qian Mao / Physics of Fluids, 2021

Так що з очами скатів?

Головним висновком моделювання став той факт, що, здавалося б, ідеальна пластина, яка завдяки своїй плоскій формі, мала б мати найвищу ефективність, програла за всіма параметрами тій, що була схожа на справжніх скатів та мала виступи. Аналіз показав, що вирячені очі здатні прискорювати ската принаймні на 20,5 відсотка, а рот — 10,6 відсотка, порівняно з тим, якби він таких особливостей тіла не мав. Цей результат означає, що гідродинамічна перевага скатів у воді безсумнівно залежить і від їхніх, на перший погляд, недоліків. Фізики виявили, що виступи змушують потоки води створювати вихори. Один з них проштовхує воду до задньої частини тіла, лишаючи перед собою область з нижчим тиском. Вона і сприяє прискоренню під час плавання, не зважаючи на більший спротив через випуклі очі та рот. Паралельно з'являється другий вихор, навпаки, підвищував тиск під скатом, що допомогло з кожним гребком плавника нарощувати швидкість. Основна тяга створюється взаємодією цих продольних і поперечних виходів, що зумовлюють різницю тиску над і під скатом. Вихори з'являються завдяки тому, що скати не крутять очима, але при цьому здатні піддаватися воді завдяки своїй пластичності.