Физики объяснили схожесть динамики полета и плавания

Ученые объяснили, почему в процессе эволюции плавающие и летающие животные перешли к движению со схожими характеристиками того, как поток жидкости или газа обтекает тело. С точки зрения гидродинамики такая ситуация описывается узким диапазоном чисел Струхаля — безразмерного коэффициента, связанного с колебательным режимом движения жидкости или газа. Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Животные адаптируются к среде обитания и в связи с этим вырабатывают специфические черты. В частности, плавающие и летающие организмы обладают особым строением тела, которое обеспечивает им как можно более эффективное движение. Среди таких приспособлений — задние плавники рыб, а также крылья птиц, насекомых и летучих мышей. Несмотря на большое разнообразие внешних форм и способов движения, с точки зрения механики все они похожи. Около 30 лет назад выяснилось, что движение водных животных можно охарактеризовать числом Струхаля из небольшого диапазона от 0,2 до 0,4, а 15 лет назад то же самое выяснилось и про летающих.

В случае колебательных движений, частный случай которых — перемещение животных, число Струхаля определяется как St = 2 f A / U, где f — частота колебаний, A — амплитуда колебаний (характерный линейный размер), а U — характерная скорость потока жидкости или газа. В новой работе сотрудники Принстонского университета (США) объяснили, почему для этого движения оптимален именно диапазон от 0,2 до 0,4. Они изучали раскачивающуюся в разных направлениях пластину, которая в зависимости от параметров эквивалентна летящей птице или плывущей рыбе.

Изучив систему во всех возможных вариантах, авторы выяснили, что небольшие значения числа Струхаля представляют собой компромисс между силой тяги и лобовым сопротивлением, в результате определяя наиболее эффективный режим движения. «Энергетические соображения делают кинематику движущегося тела наиболее эффективной, а удельная тяга при пиковой эффективности компенсирует сопротивление тела, определяя скорость установившегося движения», — пишут ученые в статье.

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