Исследование показало, что дельфины — настоящие мастера-скульпторы моря, вырезающие в океане огромные невидимые «вихревые кольца», чтобы с высокой точностью двигаться вперед.
Исследователи из Университета Осаки использовали суперкомпьютерное моделирование, чтобы разгадать тайну того, как дельфины достигают таких высоких скоростей и ловкости. Группа исследователей определила конкретные механизмы движения, анализируя сложные турбулентные потоки воды, создаваемые хвостом дельфина.
Интересно, что моделирование на суперкомпьютере показало, что движение дельфина обусловлено образованием массивных и мощных вихревых колец.
«Наша цель — понять, какие именно составляющие турбулентного потока помогают дельфинам плавать так быстро. Используя суперкомпьютер, мы можем смоделировать и разложить поток на составляющие, чтобы определить, какие компоненты играют доминирующую роль», — сказал Ютаро Мотоори, ведущий автор исследования.
Как дельфины формируют рельеф дна для рывка
Экспертам давно известно, что дельфины быстры, но определить конкретный источник их движения было сложно.
На протяжении десятилетий «парадокс Грея» предполагал, что мышцы дельфинов математически не способны преодолевать сопротивление воды, что привело к неверной теории о том, что их кожа обладает уникальными антифрикционными свойствами. Это исследование, наконец, разрешает парадокс, демонстрируя, что секрет кроется в гидродинамике, а не только в биологии.
Дельфины передвигаются, совершая мощные вертикальные движения хвостом, которые отталкивают воду назад и создают завихрения сложных, турбулентных течений. Это движение порождает «иерархию вихрей» — смесь больших, богатых энергией завихрений и более мелких, хаотичных рябь.
Чрезвычайная сложность этих перекрывающихся водных потоков делала практически невозможным для ученых точное определение того, какая именно часть потока отвечала за легендарную скорость дельфина.
Как оказалось, это скрывалось в сложной, бурлящей турбулентности, создаваемой их мощными движениями. Используя крупномасштабные численные модели, команда из Осаки обнаружила, что удар дельфина создает мощные, крупномасштабные вихревые кольца. Исследование показало, что только самый большой из этих вихрей обеспечивает необходимую для скорости тягу.
«Численное моделирование показало, что колеблющийся хвост дельфина создает мощные, крупномасштабные вихревые кольца, которые отталкивают воду назад и генерируют тягу. Затем эти большие вихри создают меньшие в процессе, известном как энергетический каскад. Хотя этих меньших вихрей много, они мало способствуют движению дельфина вперед», — отметили исследователи.
Мощность суперкомпьютера
Используя мощные симуляции, исследователи достигли такого уровня детализации в наблюдении за движением жидкости, который практически невозможно воспроизвести в физических экспериментах. Гибкость этого цифрового подхода позволила легко тестировать различные сценарии, подтверждая, что механизм движения дельфина остается удивительно стабильным при разных скоростях плавания.
Примечательно, что это вычислительное исследование позволило получить четкое и контролируемое представление о сложных физических процессах, которые просто невозможно было воспроизвести в реальных условиях.
Эти данные о движении дельфинов открывают многообещающие перспективы для развития морской инженерии в будущем, особенно в разработке более быстрых и энергоэффективных подводных роботов, а также передовых систем управления турбулентностью.
В частности, исследователи теперь могут применять эти биологические «кратчайшие пути» к технологиям, созданным человеком, путем выделения конкретных механизмов, генерирующих тягу.
Хотя практическое применение этих методов пока еще не получило широкого распространения, исследование подчеркивает, как физика может изучать мир природы для решения давних загадок.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Fluids.
Sourse: interestingengineering.com
