Как быстро акулы плавают?

 Дата публикации: 01.01.2019

Исследователи все же нашли то, благодаря чему акула является таким умелым пловцом. С помощью инженерного метода визуализации исследователи показали, что когда хвост акулы движется из стороны в сторону, он создает вдвое больше потоков воды, чем другие хвосты рыб, создавая дополнительную тягу, и поэтому возможно ее движение становится более эффективным. Акулы делают это благодаря предоставлению жесткости плавника, когда тот достигает средней линии. Это можно использовать для разработки подводных средств плавания, улучшая их производительность.

Как быстро акулы плавают?«Авторы убедительно показали, что мускулы в плавнике модифицируют его форму и возможно текстуру для того, чтобы можно было модифицировать поток воды» через тактовый цикл, сказал Фрэнк Фиш — биомеханики из Уэст-Честерского университета в Пенсильвании.

Рыбы, чтобы двигаться быстрее, умеют отталкивать воду назад. У акулы есть одна проблема: они тонут, когда останавливаются, поэтому они постоянно должны быть в движении. Чтобы подняться и держаться в толще воды верхняя часть хвоста движется больше назад, чем нижняя часть, тем самым создавая перекос вдоль задней линии. Большинство других рыб имеют достаточно симметричные сверху донизу хвостовые плавники.

То, как работает хвостовой плавник акулы, было исследовано изучением его структуры и функционированию биомеханикой Брук Фламмангом из Гарвардского университета. В 2005 году она нашла хвостовую мышцу, казалось, активировался в нужные моменты, когда хвостовой плавник двигался назад и вперед. Чтобы понять, какую роль выполняла эту мышца, она решила проследить в деталях, как акула отталкивает воду назад.

Обычно для этого исследователи добавляют в воду много маленьких частичек. Когда хвост движется, эти частички с движением воды также начинают перемещаться. Частички рассеивают мигающие лазерные лучи, направленные на них, в свою очередь можно проследить с помощью высокоскоростной камеры. Далее с помощью компьютерной программы по полученным изображением образуется сплошная картина потока воды. Сами микроскопические потоки в воде трудно увидеть, но они образуют кольца или вихри воды, напоминающие кольца дыма, которые уже легче идентифицировать.

Такой метод визуализации использует две камеры для прослеживания движения частиц в горизонтальном и вертикальном направлении и на основе этих данных, ученые оценивают, как частицы двигаются в третьем измерении — глубине. Раз Фламманг и хотела увидеть движение частиц в трех измерениях одновременно. Она использовала более современную визуальную систему из трех камер, которую до сих пор использовали для изучения водного потока в цилиндрах с поршнями, которые генерируют силу. Этот метод долгое время использовали инженеры, но не применяли в биологии, рассказывает Фиш.

Итак, Фламманг вместе со своими коллегами взяли за объект два обычных катрана (Squalus acanthias) и два катрана другого вида (Scyliorhinus retifer), поместив их в резервуар с водой с постоянным потоком воды, так чтобы акулы могли двигаться на месте. Она также использовала работа акулы, который имел пластический пластиковый хвост и также образовывал поток воды. Как уже отмечалось, большая часть рыб создают кольцо воды на конце хвостового плавника во время его движения. Хвост отталкивает воду, когда движется из стороны в сторону, а потом, когда он останавливается, потоки воды начинаются закручиваться. Считалось, что акулы в этой точке образуют два кольца — одно большое и одно маленькое согласно форме хвоста, также можно было наблюдать на роботе акулы.

Но в действительности, оказалось, что хвост акулы закручивает второе кольцо только тогда, когда оно достигает средней линии животных. Исследование было опубликовано в Трудах королевского общества. Это кольцо больше и соединяется с кольцом, которое образуется на конце хвоста во время его движения. Это позволяет ей образовывать постоянную тягу. Фламманг предусматривает, что акула использует мышцу, которая придает жесткости плавнику, немного изменяя его форму, чтобы избавиться от преждевременного закручивания.

Это может быть использовано при разработке подводных устройств, но есть одна проблема, специальные компоненты, способные переключать форму, могут оказаться весьма сложными для разработки дизайнерами. И все же Фламманг отмечает, что она хочет создать такую модель хвоста акулы, который мог бы менять свою жесткость в процессе движения.