Die Physik, wie Eselspinguine so schnell unter Wasser schwimmen können – Ars Technica

Eselspinguine Sie sind die schnellsten Schwimmvögel der Welt und erreichen unter Wasser Höchstgeschwindigkeiten von bis zu 36 km/h (ca. 22 mph). Dies liegt daran, dass sich ihre Flügel zu Flossen entwickelt haben, die sich perfekt für die Fortbewegung im Wasser eignen (obwohl sie für den Flug durch die Luft weitgehend unbrauchbar sind). Physiker haben nun die rechnerische Modellierung der Hydrodynamik von Pinguinflügeln genutzt, um zusätzliche Einblicke in die Kräfte und Strömungen zu gewinnen, die diese Flügel unter Wasser erzeugen. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Fähigkeit des Pinguins, den Winkel seiner Flügel beim Schwimmen zu ändern, die wichtigste Variable für die Schuberzeugung ist Das letzte Papier Veröffentlicht im Journal of Fluid Physics.

„Die überlegene Fähigkeit schwimmender Pinguine, schnell zu starten/bremsen, zu beschleunigen/abbremsen und sich zu drehen, ist auf ihre frei schlagenden Flügel zurückzuführen.“ sagte Co-Autor Prasert Prapamonthon vom King Mongkut Ladkrabang Institute of Technology in Bangkok, Thailand. „Sie ermöglichen es Pinguinen, sich im Wasser fortzubewegen und zu manövrieren und an Land das Gleichgewicht zu halten. Unser Forschungsteam war schon immer neugierig auf entwickelte Lebewesen in der Natur, die für die Menschheit von Nutzen sein könnten.“

Wissenschaftler waren schon immer an der Erforschung von Wassertieren interessiert. Solche Forschungen könnten zu neuen Designs führen, die den Widerstand von Flugzeugen oder Hubschraubern verringern. Oder es könnte dazu beitragen, bioinspirierte Roboter zu bauen, die Unterwasserumgebungen effizienter erkunden und überwachen können – wie z Robocrillein kleiner, einbeiniger, 3D-gedruckter Roboter, der die Bewegung eines Beins nachahmen soll Krill So können Sie sich in Unterwasserumgebungen reibungslos bewegen.

Wasserlebewesen haben sich auf verschiedene Weise weiterentwickelt, um ihre Effizienz bei der Navigation durch das Wasser zu verbessern. Mako-Haie können beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 70 bis 80 Meilen pro Stunde schwimmen, was ihnen den Spitznamen „Leoparden des Ozeans“ einbringt. Im Jahr 2019 zeigten Wissenschaftler, dass ein wesentlicher Faktor dafür, dass Makohaie sich so schnell bewegen können, die einzigartige Struktur ihrer Haut ist. Sie haben kleine transparente Schuppen, etwa 0,2 Millimeter groß, „Zähne“ genannt im ganzen Körper, besonders konzentriert in den Flügeln und Flossen. Die Schuppen sind in diesen Bereichen flexibler als in anderen Bereichen wie der Nase.

Dies hat einen tiefgreifenden Einfluss auf den Grad des Stresses, den der Makohai beim Schwimmen erfährt. Es wird durch Zugdruck verursacht Strömungsablösung um ein Objekt herum, beispielsweise ein Flugzeug oder den Körper eines Makohais, der sich durch das Wasser bewegt. Dies geschieht, wenn Flüssigkeit von der Körperoberfläche wegfließt und Wirbel und Wirbel bildet, die die Bewegung des Körpers behindern. Die Zähne können sich in einem Winkel von mehr als 40 Grad zum Körper des Hais in die Haut eingraben – allerdings nur in einer Richtung entgegen der Strömung (also vom Schwanz zur Nase). Dadurch wird der Grad der Strömungsablösung gesteuert, ähnlich wie bei den Grübchen auf einem Golfball. Die Punktierung bzw. Schuppenbildung im Fall des Mako-Hai trägt dazu bei, den gebundenen Fluss um den Körper aufrechtzuerhalten, wodurch die Alarmgröße verringert wird.

Sumpfgrasgarnelen erhöhen dank der Steifheit und der vergrößerten Oberfläche ihrer Beine den Vorwärtsdrang. Sie verfügen außerdem über zwei widerstandsreduzierende Mechanismen: Die Beine sind beim Erholungshub doppelt so flexibel und beugen sich stärker, was zu einer weniger direkten Interaktion mit dem Wasser und weniger Wirbelwellen (kleinere Wirbel) führt. Und statt dass sich drei Beine einzeln bewegen, bewegen sich ihre Beine praktisch als Ganzes, was den Luftwiderstand erheblich reduziert.

Es gab auch viele Studien, die unter anderem die Biomechanik, Kinesiologie und Flossenform von Pinguinen untersuchten. Prabamonthon et al. Er wollte sich insbesondere mit der Hydrodynamik befassen, wie ein Schlagflügel Vorwärtsschub erzeugt. Laut den Autoren nutzen Wassertiere typischerweise zwei grundlegende Mechanismen, um im Wasser Schub zu erzeugen. Eine davon basiert wie das Rudern auf Widerstand und eignet sich gut für die Fortbewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten. Für höhere Geschwindigkeiten verwenden sie einen auf Schwebe-Flattern basierenden Mechanismus, der sich nachweislich als effizienter bei der Schuberzeugung erwiesen hat.

Auf einer Ebene sind Pinguinflügel im Wesentlichen gefiederte Flügel eines Flugzeugs, nur kürzer und flacher wie Flossen oder Paddel, mit kurzen, buschigen Federn, die dabei helfen, Luft einzufangen, um Reibung und Turbulenzen zu reduzieren. Pinguine können auch den Winkel ihrer Flügel (aktive Flügelfedern) ändern, um den Widerstand zu verringern, wenn sie ihre Schwimmhaltung sowie Nick- und Flatterbewegungen anpassen müssen. Tatsächlich ist der Flügel des Pinguins den Autoren zufolge geometrisch recht komplex. Es gibt einen inneren Teil, in dem der Abstand zwischen der Vorderkante (Vorderkante) und der Hinterkante (Hinterkante) mit zunehmender Entfernung zunimmt Wurzel; der Mittelteil, wo die Spitze ungefähr parallel zum Raum zwischen Flügelspitze und Flügelspitze verläuft; und der äußere Teil, wo die Hinterkante des Flügels konkav ist.

Das Team untersuchte Filme von schwimmenden Pinguinen und kombinierte sie mit der Analyse zweidimensionaler Bewegungen von der Seite. Mithilfe dieser Daten konnten sie ein hydrodynamisches Modell erstellen, um die komplexen Kräfte und Strömungen um die Flügel herum zu simulieren und dabei Variablen wie Amplitude, Frequenz und Richtung von Flügelschlag und Federn sowie Geschwindigkeit und Viskosität des flüssigen Mediums einzubeziehen. Sie nutzten das Verhältnis von Schubgeschwindigkeit zu Vorwärtsgeschwindigkeit, um die Flügelbewegung zu modellieren, und fügten eine neue Variable hinzu, die sie „Schubwinkel“ nannten und die im Wesentlichen durch den Anstellwinkel und den Winkel der Flügel relativ zur Vorwärtsrichtung bestimmt wird.

Prabamonthon et al. kam zu dem Schluss, dass Pinguine beim Schwimmen einen auftriebsbasierten Antriebsmechanismus nutzen. Darüber hinaus erzeugen Pinguine im Wesentlichen durch die Bewegung ihrer Federn einen so starken Vorwärtsschub im Wasser. Die optimale Amplitude während der Gradation erzeugt den größten Schub. Pinguine sind offensichtlich Experten darin, diesen Sweet Spot zu finden.

Wenn jedoch zu viel Kapazität vorhanden ist, führt dies zu einem negativen Impuls. Wenn die Flügel schlagen, erzeugen sie Wirbel, vor allem a Vorderkantenspirale (LEV) Auf dem Dach des Pavillons befindet sich ein Prapamonthon et al. Es wurde festgestellt, dass es eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von Auftrieb und Schub spielt. „Beim Unterhub schwächt beispielsweise die Einführung eines Flügelwinkels die Intensität der lokalen Absaugung auf dem Oberdeck (Saugseite) und verringert den Auftrieb“, schreiben die Autoren. „Der übermäßige Auslaufwinkel verschiebt jedoch die Unterseite zur Saugseite, was zu einem geringeren Grad an lokaler Absaugung in der Nähe der Wurzel führt. Diese Verschiebung könnte den negativen Schub erklären, der durch eine übermäßige Schaufelverbreiterung verursacht wird.“

DOI: Physik der Flüssigkeiten, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (über DOIs).