Физики раскрыли секрет резкого старта парчовых сомов

Физики из Цзилиньского университета провели серию экспериментов, в ходе которых изучили особенности быстрого старта у парчовых сомов — пресноводных рыб, отличающихся необычной формой тела и способом передвижения. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physics of Fluids. Основное внимание ученые уделили тому, как сомы используют хвост и создаваемые им вихревые кольца для резкого ускорения и изменения направления движения при возникновении угрозы.

Парчовые сомы (Pterygoplichthys gibbiceps) обитают на дне водоемов и закрепляются на субстрате с помощью ротового аппарата-присоски. В спокойном состоянии они держат плавники сложенными, а при опасности стремительно расправляют их и совершают мощные гребки. Особенно интересен их хвост — асимметричный и способный создавать турбулентные вихревые потоки, которые позволяют рыбе мгновенно развить ускорение. Однако до настоящего времени точных данных о гидродинамических свойствах таких движений у этих рыб не существовало.

В эксперименте использовались четыре сома, которых поместили в аквариум объемом 50 литров. Для отслеживания движения воды исследователи применили метод велосиметрии движущихся частиц (PIV). В аквариум добавили микроскопические стеклянные шарики с нейтральной плавучестью. При помощи лазерного луча и скоростных камер ученые фиксировали, как частицы отражают свет в момент резкого движения рыбы. В общей сложности было проанализировано 20 эпизодов быстрого старта, отобранных по строгим критериям — движения происходили строго в вертикальной плоскости, а хвостовой плавник оставался расправленным.

Также была проведена точная оценка центра масс и плотности каждой особи. Для этого сомов подвешивали на нейлоновой нити в стакане с водой и взвешивали в разных положениях, используя принципы гидростатики. Далее исследователи рассчитали углы наклона тела, оси вихревых колец и струй, а также самих хвостов. Однофакторный дисперсионный анализ показал, что на параметры вихревого кольца и струи не влияли индивидуальные особенности рыбы. Однако была установлена четкая зависимость между углом наклона хвоста и направлением вихревой струи: чем выше наклон, тем резче менялась траектория движения.

Выяснилось, что рыба использует хвост как основной инструмент управления направлением при быстром старте. Благодаря изменению угла хвоста создается необходимый вращательный момент, позволяющий точно контролировать движение даже в условиях внезапной угрозы. Кроме того, ротовая присоска в этот момент создает противоположный момент, обеспечивая стабильность и маневренность. Эти находки могут быть полезны при проектировании подводных роботов, способных прилипать к поверхностям и оперативно менять траекторию движения.