Компьютерная симуляция разрешила спор о плавании рыб

Численное моделирование позволило поставить точку в полувековом противостоянии двух конкурирующих гипотез о том, как рыбы создают тягу при движении. Оказалось, что обе гипотезы реализуются в природе, но доминирующая роль в зависимости от условий достается только одной из них. Результаты исследования изложены в препринте на сервере arXiv.org.

Самые быстрые рыбы могут развивать в воде скорость свыше 100 километров в час, в то время как самый умелый человек может плыть со скоростью не более 10 километров в час. Даже современные подводные лодки уступают рыбам и могут разгоняться лишь до 80 километров в час. Ученые не могли детально объяснить, почему рыбы движутся настолько эффективно. Было выдвинуто множество объясняющих этот феномен теорий, но в последнее время самыми правдоподобными считались лишь две из них, предложенные в середине XX века. Однако сторонники этих гипотез с тех пор так и не смогли доказать превосходство своей точки зрения.

Одну идею предложил в 1952 году британский физик Джеффри Тейлор. Он рассмотрел взаимодействие между сегментами рыбьего тела. Согласно его идее, сила сопротивления движению каждого элемента при колебательных движениях направлена преимущественно перпендикулярно телу. В результате появляется суммарная тяга в параллельном направлении, то есть вперед. Альтернативная теория другого британца, Джеймса Лайтхила, рассматривала задачу с точки зрения инерции при движении в воде. Эта концепция может объяснить движение пластины, которая колеблется с небольшой амплитудой. Главное отличие между двумя подходами заключалось в типе создаваемой силы: в первом случае это сила сопротивления, связанная со скоростью, а во втором — сила реакции, связанная с ускорением.

В новой работе Тинюй Мин из Пекинского исследовательского центра вычислительной науки и его коллеги использовали численное моделирование на суперкомпьютере и данные подробных экспериментов с живыми рыбами для того, чтобы выяснить природу тяги при их движении в воде. Ученые рассмотрели два типа рыб: извивающихся всем телом, таких как угри, и использующих для движения хвостовой плавник, таких как сельдь.

Оказалось, что обе предложенные гипотезы верны, но они работают для разных форм тела и даже для разных частей тел. В частности, для обеих форм силы сопротивления важнее в относительно ровной и однородной средней части тела. В то же время силы реакции играют намного бóльшую роль у задних частей тела рыб, которые двигаются за счет хвоста. Кроме того, ученые объяснили, зачем рыбам продольные связки. По теории Тейлора, связанный с каждым позвонком сегмент должен двигаться независимо и такие связки не нужны, но новая модель показала, что эти анатомические образования позволяют эффективно передавать энергию посредством эластичных растяжений.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.