Физики изучили, как гидродинамика вихревых колец повлияла на быстрый старт парчовых сомов: когда этим рыбам нужно быстро сбежать, они активно используют хвост, чтобы направлять потоки жидкости, тем самым увеличивая свою маневренность.
Экспериментаторы выяснили, что ключевой фактор, влияющий на дальнейшую траекторию, это наклон хвоста. Результаты ученых послужат источником вдохновения для разработки бионических подводных роботов. Исследование опубликовано в Physics of Fluids.
Парчовые сомы (Pterygoplichthys gibbiceps) обитают в пресноводных водоемах, присасываясь ко дну видоизмененной нижней челюстью. Эти рыбы имеют привычку складывать хвостовой и спинной плавники, когда остаются на месте, и расправляют плавательные органы в случае опасности, чтобы быстро покинуть опасное место. Асимметричные хвостовые плавники парчовых сомов представляют особый интерес с точки зрения гидродинамики, поскольку создают вихревые кольца при резком движении: турбулентные потоки, создаваемые хвостом, придают животному дополнительную скорость за счет закона сохранения импульса. Однако точных данных о гидродинамических характеристиках парчовых сомов до нынешнего времени не было.
Чжэнь Лунь (Long Zheng) из Цзилиньского университета совместно с коллегами из Китая применил метод велосиметрии движущихся частиц (particle image velocimetry, PIV) и выяснил, как ведут себя потоки воды вокруг парчового сома во время его быстрого старта.
Для этого физики приобрели четырех парчовых сомов и заселили их в аквариум объемом 50 литров. Физики провели съемку сомов следующим образом: рыб запустили в отдельную емкость, которую наполнили водой и стеклянными шариками диаметром 10 микрометров с нейтральной плавучестью. После того как исследователи пугали сомов, те двигались вдоль плоскости, образованной лазерным лучом, а плавающие частицы отражали свет в боковые рапидные камеры.
Всего ученые зафиксировали 60 случаев быстрого старта, из которых использовали 20 для кинематического и динамического анализа. Авторы работы отобрали данные на основе двух критериев: во-первых, движения на старте оставались все время в вертикальной плоскости, а во-вторых, хвостовой плавник был расправлен. Также экспериментаторы измерили центр масс и плотность сомов: ученые привязали к сомам нейлоновые нити и поместили их в стакан с водой, стоящий на весах — благодаря закону Архимеда удалось найти и массу рыбы (когда сом опустился на дно), и массу вытесненной ею воды (когда животное устойчиво плавало в воде с вертикальной тягой).
После измерений физики применили однофакторный дисперсионный анализ к углам наклона тела, движения центра масс, оси вихревого кольца, вихревой струи и хвоста рыбы, вследствие чего авторы работы выяснили несколько интересных фактов. Во-первых, угол оси вихревого кольца и струи не зависели от индивидуальных особенностей животных (значение F-критерия для первого параметра составило 0,6, а для второго — 0,09). Во-вторых, ученые заметили положительную линейную корреляцию между углом струи и углом хвоста сомов (коэффициент регрессии оказался равным 2,807).
На основе полученных результатов ученые сделали вывод, что наклон хвоста — главный фактор во время быстрого старта. Этот параметр повлиял и на угол создаваемой струи, и на угол старта, и даже на угол траектории. Все дело в том, что во время отправления, когда сом напуган, он с помощью хвоста изменяет направление и силу струи, чтобы увеличить свой вращательный момент. В совокупности с противоположным вращательным моментом, создаваемым ртом-присоской, рыба достигает контроля над углом наклона тела и дальнейшей траекторией. Также авторы работы отметили, что их исследование создало теоретическую основу для проектирования роботов-рыб с функцией прилипания к поверхностям.
https://nplus1.ru/news/2025/05/29/suckermouth-catfish-physics |
