211service.com
We weten eindelijk hoe vissen zo snel zwemmen
Als het op zwemmen aankomt, demonstreren vissen een moeiteloze gratie en kracht waar mensen alleen maar van kunnen dromen. Terwijl de snelste vissen tot 70 mijl per uur zwemmen, is geen mens ooit zelfs maar 4 mph in water gelukt. Zelfs de snelste onderzeeërs hebben een topsnelheid van slechts 50 mph.
Hoe vissen deze prestatie precies beheren, is iets mysterieus. Natuurkundigen, biologen en ingenieurs hebben lang getwijfeld over de karakteristieke golvende beweging en de hydrodynamische krachten die het genereert. Ze hebben inderdaad twee theorieën over hydrodynamische voortstuwing om dit te verklaren, hoewel ze dateren uit de jaren vijftig en zestig. Maar niemand heeft uitgezocht wat juist is.
Vandaag verandert dat dankzij het werk van Tingyu Ming in het Beijing Computational Science Research Center in China en verschillende collega's. Deze jongens hebben de voortstuwing van vissen gemodelleerd op een supercomputer en de resultaten gekalibreerd met behulp van gedetailleerde metingen van de beweging van echte vissen. Hun model verklaart voor het eerst hoe vissen stuwkracht genereren en zelfs waarom bepaalde anatomische structuren, zoals pezen, zo belangrijk zijn.
Eerst wat achtergrond. In de karakteristieke golvende zwembeweging van vissen trekken de spieren achtereenvolgens samen langs het lichaam om een achterwaarts bewegende golf van lichaamsbuiging te genereren. Dit duwt tegen het water en produceert stuwkracht.
Maar hoe deze stuwkracht precies ontstaat, is een raadsel. In 1952 overwoog de Britse natuurkundige Geoffrey Taylor de interactie van elk segment van het lichaam van een vis met water. Zijn idee was dat elk segment weerstand genereert, een weerstand tegen beweging. Naarmate het segment golft, is de weerstand groter in een loodrechte richting op het lichaam dan parallel daaraan. Het resultaat is stuwkracht in de parallelle richting, of naar voren. Dit idee staat bekend als weerstandskrachttheorie.
Maar in 1960 bracht een Britse wiskundige, James Lighthill, een ander idee naar voren waarin het dominante effect de traagheid van het water is. Hierdoor kan een vlakke plaat stuwkracht genereren door met een kleine amplitude te zwaaien. Dit staat bekend als de langwerpige lichaamstheorie.
Het belangrijkste verschil tussen deze theorieën is het type kracht dat wordt gegenereerd. Voor Taylor is het weerstandskracht, die in de tegenovergestelde richting werkt van de beweging van een lichaam, maar in fase is met die snelheid. Voor Lighthill is het reactieve kracht, die werkt in de tegenovergestelde richting van een actiekracht en in fase is met de versnelling.
Dat lijkt misschien een subtiel verschil, maar het is essentieel om de voortstuwing van vissen te begrijpen en kunstmatig te reproduceren. Daarom is het belangrijk om te weten welke theorie je moet gebruiken.
Om daar achter te komen, hebben Tingyu en co een 3D-computermodel voor vloeistofdynamica gemaakt van twee soorten vissen: anguilliforme zwemmers zoals palingen en carangiforme zwemmers zoals makreel. Het belangrijkste verschil is dat anguilliforms hun hele lichaam golven, terwijl alleen de achterste helft van carangiforme lichamen aanzienlijk buigt.
Het team gebruikte echte studies van visbewegingen om hun modellen te kalibreren en berekende vervolgens de kracht, het koppel en het vermogen dat door elk type lichaamsvorm wordt gegenereerd.
De resultaten zorgen voor interessante lectuur. Het blijkt dat beide theorieën correct zijn, maar voor verschillende lichaamsvormen en zelfs voor verschillende delen van deze lichamen.
Bijvoorbeeld, voor zowel makreelachtige zwemmers als palingachtige zwemmers, zijn weerstandskrachten belangrijker in het middelste deel van het lichaam, dat relatief glad en uniform is. Maar reactieve krachten spelen een veel grotere rol in de buurt van de staarten van makreelachtige zwemmers.
Elasticiteit speelt ook een belangrijke rol. Niemand heeft de elasticiteit van vissen kunnen meten terwijl ze zwemmen, maar de consensus is dat elasticiteit moet helpen energie op te slaan en de efficiëntie van het zwemmen te verbeteren.
Het model van Tingyu en co biedt hier ook enig inzicht door te laten zien hoe elasticiteit varieert met de kracht en kracht die door het lichaam wordt gegenereerd. De onderzoekers laten zien hoe paling en makreel tijdens elke golvende cyclus op verschillende plaatsen in hun lichaam en op verschillende punten elastisch moeten worden. Deze observatie komt overeen met de bevindingen van eerdere onderzoeken dat geschikte elasticiteit energie kan besparen en herstellen om de efficiëntie te verbeteren, zeggen ze.
Dat roept de vraag op hoe deze energieoverdracht door vislichamen verloopt. Een van de raadselachtige anatomische kenmerken van zwemmers van het makreeltype is dat ze pezen hebben die zich langs hun lichaam naar de staarten uitstrekken. Als elke wervel als een onafhankelijke eenheid zou werken, zoals de theorie van Taylor suggereert, zou dit soort pees niet nodig zijn.
Maar in het nieuwe model dat Tingyu en co hebben ontwikkeld, is dat precies wat nodig is. We veronderstellen dat deze lange pezen worden gebruikt om energie over te dragen, zeggen ze.
Dat is interessant werk, en niet alleen omdat het een gedetailleerd inzicht geeft in een van de meest voorkomende vormen van voortstuwing in de natuurlijke wereld. Het blijkt dat de voortstuwing van vissen veel complexer is dan aanvankelijk werd gedacht, en vermoedelijk even moeilijk kunstmatig te reproduceren.
Maar het werk van Tingyu en co biedt een uitweg voor bio-ingenieurs die de voortstuwing van vissen in kunstmatige apparaten willen reproduceren. Het kan op een dag ook helpen om onderzeeërs sneller te laten reizen. De mens heeft veel in te halen!
Referentie: arxiv.org/abs/1812.02410 : Hoe viskracht zwemmen: een 3D computational fluid dynamics-onderzoek