Gentoo-pinguïns Het zijn de snelst zwemmende vogels ter wereld, met maximale onderwatersnelheden tot 36 km/u (ongeveer 22 mph). Dit komt omdat hun vleugels zijn geëvolueerd tot vinnen die perfect zijn om door water te bewegen (zij het grotendeels nutteloos om door de lucht te vliegen). Natuurkundigen hebben nu computationele modellering van de hydrodynamica van pinguïnvleugels gebruikt om meer inzicht te krijgen in de krachten en stromingen die deze vleugels onder water creëren. Ze concludeerden dat het vermogen van de pinguïn om tijdens het zwemmen de hoek van zijn vleugels te veranderen de belangrijkste variabele is voor het genereren van stuwkracht, volgens Het laatste papier Gepubliceerd in het Journal of Fluid Physics.
“Het superieure vermogen van zwemmende pinguïns om te starten/remmen, versnellen/vertragen en snel te draaien is te danken aan hun vrij zwaaiende vleugels,” zei co-auteur Prasert Prapamonthon van King Mongkut Ladkrabang Institute of Technology in Bangkok, Thailand. “Ze stellen pinguïns in staat zich voort te bewegen en te manoeuvreren in het water en het evenwicht op het land te behouden. Ons onderzoeksteam is altijd nieuwsgierig geweest naar geëvolueerde wezens in de natuur die gunstig zouden zijn voor de mensheid.”
Wetenschappers zijn altijd geïnteresseerd geweest in het bestuderen van waterdieren. Dergelijk onderzoek kan leiden tot nieuwe ontwerpen die de weerstand van vliegtuigen of helikopters verminderen. Of het kan helpen bij het bouwen van bio-geïnspireerde robots die efficiënter zijn om onderwateromgevingen te verkennen en te bewaken, zoals Robocrilleen kleine, eenbenige, 3D-geprinte robot die is ontworpen om de beweging van een been na te bootsen krill Zodat u zich soepel kunt verplaatsen in onderwateromgevingen.
Aquatische soorten zijn op verschillende manieren geëvolueerd om hun efficiëntie tijdens het navigeren door het water te verbeteren. Mako-haaien kunnen bijvoorbeeld zwemmen met snelheden van 70 tot 80 mijl per uur, waardoor ze de bijnaam ‘luipaarden van de oceaan’ krijgen. In 2019 toonden wetenschappers aan dat een belangrijke factor in hoe mako-haaien zo snel kunnen bewegen, de unieke structuur van hun huid is. Ze hebben kleine transparante schubben, ongeveer 0,2 millimeter groot, genaamd “tanden” door het hele lichaam, vooral geconcentreerd in de vleugels en vinnen. De schubben zijn op deze gebieden flexibeler in vergelijking met andere gebieden zoals de neus.
Dit heeft een diepgaand effect op de mate van stress die de makohaai ervaart tijdens het zwemmen. Het wordt veroorzaakt door trekkracht stroom scheiding rond een object, zoals een vliegtuig of het lichaam van een makreelhaai terwijl het door het water beweegt. Dit is wat er gebeurt als vloeistof wegstroomt van het oppervlak van het lichaam en draaikolken en draaikolken vormt die de beweging van het lichaam belemmeren. De tanden kunnen zich in de huid van de haai vouwen onder een hoek van meer dan 40 graden ten opzichte van het lichaam – maar alleen in een richting tegen de stroom in (dat wil zeggen, van staart tot neus). Dit regelt de mate van stroomscheiding, vergelijkbaar met kuiltjes in een golfbal. Stippling, of schubben in het geval van de makohaai, helpt de gebonden stroom rond het lichaam te behouden, waardoor de waarschuwing kleiner wordt.
Moerasgrasgarnaal verhoogt de voorwaartse voortstuwing dankzij de stijfheid en het grotere oppervlak van zijn poot. Ze hebben ook twee weerstandsverlagende mechanismen: de benen zijn twee keer zo flexibel tijdens de herstelslag en buigen sterker, wat resulteert in minder directe interactie met het water en minder kielzog (kleinere draaikolken); En in plaats van dat drie benen afzonderlijk bewegen, bewegen hun benen in feite als één, wat de weerstand aanzienlijk vermindert.
Er zijn ook veel onderzoeken geweest naar onder andere de biomechanica, kinesiologie en vinvorm van pinguïns. Prabamaandon et al. Hij wilde zich specifiek verdiepen in de hydrodynamica van hoe een klapperende vleugel voorwaartse stuwkracht genereert. Volgens de auteurs gebruiken waterdieren meestal twee basismechanismen om stuwkracht in het water te genereren. De ene is gebaseerd op slepen, zoals roeien, en is zeer geschikt om met lage snelheden te bewegen. Voor hogere snelheden gebruiken ze een op levitatie-flutter gebaseerd mechanisme, waarvan is aangetoond dat het efficiënter is in het genereren van stuwkracht.
Howe et al., 2023
Op één niveau zijn pinguïnvleugels in wezen gevederde vleugels van een vliegtuig, alleen korter en platter zoals flippers of peddels, met korte, borstelige veren die helpen lucht vast te houden om wrijving en turbulentie te verminderen. Pinguïns kunnen ook de hoek van hun vleugels (actieve vleugelveren) veranderen om de weerstand te verminderen wanneer ze hun zwemhouding moeten aanpassen, samen met stampen en fladderen. In feite is de vleugel van de pinguïn volgens de auteurs behoorlijk geometrisch complex. Er is een intern deel waarin de afstand tussen de voorrand (voorkant) en de achterrand (achterrand) verder van wortel; het middengedeelte waar de punt ongeveer evenwijdig loopt aan de ruimte tussen vleugeltip en vleugeltip; en het buitenste deel, waar de achterrand van de vleugel concaaf is.
Het team bestudeerde films van zwemmende pinguïns, gecombineerd met analyse van tweedimensionale bewegingen vanaf de zijkant. Deze gegevens hielpen hen bij het bouwen van een hydrodynamisch model om de complexe krachten en stromingen rond de vleugels te simuleren, waarin variabelen zoals amplitude, frequentie en richting van vleugelklep en veren, evenals de snelheid en viscositeit van het vloeibare medium werden opgenomen. Ze gebruikten de verhouding tussen stuwkracht en voorwaartse snelheid om vleugelbeweging te modelleren en voegden een nieuwe variabele toe die ze “stuwkrachthoek” noemen, die in feite wordt bepaald door de aanvalshoek en de hoek van de vleugels ten opzichte van de voorwaartse richting.
Prabamaandon et al. concludeerde dat pinguïns tijdens het zwemmen een op een lift gebaseerd voortstuwingsmechanisme gebruiken. Bovendien is de beweging van de veren in wezen hoe pinguïns zo’n krachtige voorwaartse stuwkracht in het water produceren. De optimale amplitude tijdens gradatie genereert de grootste stuwkracht. Pinguïns zijn duidelijk experts in het vinden van die goede plek.
Als er echter te veel capaciteit is, zal dit een negatieve impuls veroorzaken. Wanneer de vleugels flapperen, produceren ze draaikolken, met name a Leidende spiraal (LEV) Op het dak van het paviljoen staat een Prapamonthon et al. Het blijkt een belangrijke rol te spelen bij het genereren van zowel lift als stuwkracht. “In de onderste slag verzwakt bijvoorbeeld het introduceren van een schoephoek de intensiteit van de lokale afzuigventilatie op het bovendek (aanzuigzijde) en vermindert de lift”, schreven de auteurs. “De buitensporige veerhoek verschuift echter de ondergrond naar de zuigzijde, wat resulteert in een lager niveau van lokale afzuigventilatie nabij de wortel. Deze verschuiving zou de negatieve stuwkracht kunnen verklaren die wordt veroorzaakt door overmatige verwijding van de schoepen.”
DOI: Fysica van vloeistoffen, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (over DOI’s).
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”