Пінгвіни Дженту Вони є найшвидшими плаваючими птахами у світі, вони бігають з максимальною підводною швидкістю до 36 км/год (близько 22 миль/год). Це тому, що їхні крила еволюціонували в ласти, які ідеально підходять для пересування по воді (хоча в основному марні для польоту в повітрі). Тепер фізики використали обчислювальне моделювання гідродинаміки крил пінгвіна, щоб отримати додаткове розуміння сил і потоків, які ці крила створюють під водою. Вони прийшли до висновку, що здатність пінгвіна змінювати кут крил під час плавання є найважливішою змінною для створення тяги, відповідно до Останній папір Опубліковано в Journal of Fluid Physics.
«Надзвичайна здатність плаваючих пінгвінів рушати з місця/гальмувати, прискорюватися/гальмуватись і швидко повертатися завдяки тому, що вони вільно махають крилами». сказав співавтор Прасерт Прапамонтон з Технологічного інституту короля Монгкута Ладкрабанга в Бангкоку, Таїланд. «Вони дозволяють пінгвінам рухатися й маневрувати у воді та підтримувати рівновагу на суші. Нашу дослідницьку групу завжди цікавили еволюційні істоти в природі, які були б корисними для людства».
Вчені завжди цікавилися вивченням водних тварин. Такі дослідження можуть призвести до нових конструкцій, які зменшують опір літаків або гелікоптерів. Або це може допомогти створити роботів, натхненних біотехнологіями, які ефективніше досліджуватимуть і спостерігатимуть за підводним середовищем, наприклад Робокрільмаленький одноногий надрукований на 3D-принтері робот, створений для імітації руху ноги кріль Тож ви можете плавно пересуватися під водою.
Водні види еволюціонували різними способами, щоб покращити свою ефективність під час навігації у воді. Наприклад, акули мако можуть плавати зі швидкістю від 70 до 80 миль на годину, за що їх називають «океанськими леопардами». У 2019 році вчені показали, що основним фактором того, як акули мако здатні так швидко рухатися, є унікальна структура їхньої шкіри. Вони мають невеликі прозорі лусочки, розміром близько 0,2 міліметра, називається “зуби” по всьому тілу, особливо зосереджені в крилах і плавниках. У цих областях луска більш гнучка порівняно з іншими областями, такими як ніс.
Це сильно впливає на ступінь стресу, який відчуває акула мако під час плавання. Це викликано тиском тяги поділ потоку навколо об’єкта, наприклад літака чи тіла акули мако, коли вона рухається у воді. Так відбувається, коли рідина відтікає від поверхні тіла, утворюючи завихрення та завихрення, які перешкоджають руху тіла. Зуби можуть входити в шкіру акули під кутом понад 40 градусів від її тіла, але тільки в напрямку проти течії (тобто від хвоста до носа). Це регулює ступінь розділення потоку, подібно до ямок на м’ячі для гольфу. Крапка, або луска у випадку акули мако, допомагає підтримувати зв’язаний потік навколо тіла, що зменшує попереджувальний розмір.
Креветка болотно-трав’яна збільшує поштовх вперед завдяки жорсткості та збільшеній площі поверхні ноги. Вони також мають два механізми зменшення опору: ноги вдвічі гнучкіші під час підйому та згинаються сильніше, що призводить до меншої прямої взаємодії з водою та меншої кількості хвилювань (менших завихрень); І замість того, щоб три ноги рухалися окремо, їхні ноги рухалися як одна, що значно зменшує опір.
Також було проведено багато досліджень, які вивчали біомеханіку, кінезіологію та форму ласт пінгвінів, серед інших факторів. Прабамонтон та ін. Він спеціально хотів заглибитися в гідродинаміку того, як махове крило створює тягу вперед. За словами авторів, водні тварини зазвичай використовують два основних механізми для створення тяги у воді. Одна з них базується на тяговому опорі, як і веслування, і добре підходить для пересування на низьких швидкостях. Для більш високих швидкостей вони використовують механізм левітації, заснований на флаттері, який, як було показано, є більш ефективним у створенні тяги.
Хоу та ін., 2023
З одного боку, крила пінгвіна — це, по суті, оперені крила літака, тільки коротші та плоскіші, як ласти чи весла, з короткими густими пір’ям, які допомагають затримувати повітря, щоб зменшити тертя та турбулентність. Пінгвіни також можуть змінювати кут своїх крил (активні пір’я крил), щоб зменшити опір, коли їм потрібно скорегувати свою позу під час плавання, а також крок і помах. Насправді, за словами авторів, крило пінгвіна досить складне геометрично. Існує внутрішня частина, в якій відстань між переднім (переднім) краєм і заднім (заднім) краєм збільшується далі від корінь; середня частина, де кінчик приблизно паралельний простору між кінчиками крил і кінчиками крил; і зовнішня частина, де задня кромка крила увігнута.
Команда вивчала фільми плавання пінгвінів у поєднанні з аналізом двовимірного руху збоку. Ці дані допомогли їм побудувати гідродинамічну модель для моделювання складних сил і потоків навколо крил, включаючи такі змінні, як амплітуда, частота та напрямок помахів крил і пір’я, а також швидкість і в’язкість рідкого середовища. Вони використали відношення швидкості тяги до швидкості вперед для моделювання руху крила та додали нову змінну, яку вони називають «кутом тяги», яка в основному визначається кутом атаки та кутом крил відносно напрямку вперед.
Прабамонтон та ін. прийшли до висновку, що під час плавання пінгвіни використовують руховий механізм на основі підйому. Крім того, рух пір’я — це, по суті, те, як пінгвіни виробляють такий потужний поштовх вперед у воді. Оптимальна амплітуда під час градації створює найбільшу тягу. Пінгвіни, очевидно, є експертами у пошуку цього солодкого місця.
Однак якщо ємності занадто багато, це спричинить негативний імпульс. Коли махають крилами, вони створюють вихори, особливо a Спіраль переднього краю (ЛЕВ) На даху павільйону Прапамонтон та ін. Встановлено, що він відіграє важливу роль у створенні як підйомної сили, так і тяги. «Наприклад, під час нижнього ходу введення кута лопатки послаблює інтенсивність місцевої витяжної вентиляції на верхній палубі (сторона всмоктування) і зменшує підйомну силу», — пишуть автори. «Однак надмірний кут нахилу зміщує нижню поверхню до сторони всмоктування, що призводить до нижчого рівня місцевої витяжної вентиляції біля кореня. Цей зсув може пояснити негативну тягу, спричинену надмірним розширенням лопаті».
DOI: Фізика рідин, 2023. 10,1063 / 5,0147776 (про DOI).
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
