Моделирование показало, как дельфинам удается плавать с такой скоростью

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что большие кольца завихрений воды обеспечивают основную силу, необходимую дельфинам для невероятно быстрого плавания. Благодаря возможности различать полезную тягу и шум турбулентности воды, это открытие дает инженерам четкий план по проектированию более быстрых подводных роботов. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Fluids.

Внутри созданного с помощью компьютера следа позади дельфина наиболее убедительные доказательства были обнаружены в движущейся воде возле хвоста.

Прослеживая эти кольца, Ютаро Мотоори, изучающий движение воды в Осакском университете (UOsaka) в Японии, показал, что самые крупные водовороты создавали полезное течение.

Небольшие водовороты по-прежнему заполняли тропу, но в основном они образовывались из более крупных колец, растягивающихся и разбивающихся о берег. Это разделение подводит нас к следующему вопросу: как удар хвостом превращает эти большие кольца в поступательную скорость.

Инженеры называют каждое кольцо вихрем — вращающимся скоплением жидкости, которое приводит воду в движение. Когда хвост дельфина опускается вниз, кольцо образуется вдоль края хвоста, а затем отслаивается. Когда кольцо покидает воду, оно отталкивает воду назад, и дельфин набирает поступательное движение благодаря этому обмену.

В ходе моделирования основная часть тяги, то есть поступательная сила, обеспечивающая движение пловца, исходила от обратной струи.  Быстрое плавание также создает турбулентность — неустойчивый поток, который распадается на меняющиеся вихри самых разных размеров. Большие кольца растягивали воду поблизости, и это растяжение создавало более мелкие водовороты за счет энергетического каскада, передачи движения от больших к малым.

В кильватерном следе появлялось множество крошечных вихрей, небольших завихрений, но их количество не делало их главным двигателем. Для скорости дельфинов размер имел большее значение, чем количество препятствий, поскольку самые большие кольца обладали самым сильным обратным импульсом.

Чтобы проверить течение жидкости, не беспокоя живое животное, команда использовала прямое численное моделирование — компьютерную модель, которая пошагово решает задачу расчета движения жидкости.

В рамках аналогичного проекта по визуализации было обработано около 1,9 миллиарда точек сетки — цифровых местоположений, где программа отслеживала движение воды, — для отображения слоистых водоворотов.

«Используя суперкомпьютер, мы можем моделировать и декомпозировать поток, чтобы определить, какие компоненты играют доминирующую роль», — сказал Мотоори.

На суперкомпьютере Fugaku в Кобе, Япония, эта деталь позволила выявить характерные следы от волн, которые было бы сложно запечатлеть при видеосъемке в реальных условиях. Победу одержали крупные вихревые кольца, потому что они образовывались на движущейся кромке хвостовой части, где движение, обусловленное работой мышц, непосредственно соприкасалось с водой.

Во время нисходящего движения, то есть гребка, хвостовая часть удилища сметала воду в кольцо, которое отделялось и сохраняло инерцию, двигаясь назад. После отсоединения дельфин двинулся вперед, потому что вода получила противоположный импульс от хвоста.

Эта причинно-следственная цепочка объясняет, почему именно самые крупные конструкции, а не самые мелкие, обеспечивали тягу на всех исследованных скоростях. Крошечные вихри не стали неактуальными, поскольку они показали, как сильный толчок превращается в обычное турбулентное движение.

По мере того как кольца вокруг дельфинов становились всё шире, от них отходили небольшие водовороты, заполняя след позади дельфина. Многочисленные небольшие конструкции помогли исследователям проверить реалистичность потока, но они мало что добавили к силе, действующей вперед.

Для дизайнеров полное игнорирование этих факторов привело бы к потере деталей, а рассмотрение их в качестве основного источника скорости — к упущению сути. 

Подводные инженеры обеспокоены этим результатом, потому что многие машины по-прежнему тратят энергию впустую, создавая хаотичные потоки воды. Роботы, имитирующие плавание животных, называемые биомиметическими роботами, уже используют гибкие тела, хвосты, плавники и системы управления.

Урок, имитирующий движения дельфинов, учит дизайнеров создавать прочные и синхронизированные кольца, а не просто добавлять больше движений хвостом. Подобные конструкции могли бы помочь инспекционным судам, океанографическим датчикам и поисковым инструментам перемещаться на большие расстояния, используя ту же накопленную энергию.

Даже при больших числах и тщательном решении физических уравнений моделирование воды по-прежнему имеет свои ограничения. Модель тела была создана на основе замеров тихоокеанского белобокого дельфина — реального вида дельфинов, использованного для создания формы тела.

Движение при плавании было задано заранее, а это значит, что нервы, решения, усталость и обратная связь от мышц в режиме реального времени не учитывались при расчетах. Эти ограничения не отменяют результат, но позволяют сосредоточить внимание на движении, обусловленном хвостом, а не на поведении дельфинов.

Помимо дельфинов, та же иерархия может помочь объяснить поведение других животных, передвигающихся в воде или воздухе. Крылья птиц, рыбьи хвосты и крылья насекомых оставляют после себя упорядоченные вихри, способные передавать полезный импульс.

Изучение этих структур по размеру помогает исследователям отделить поток, создающий силу, от более мелких остатков. Такой подход может улучшить контроль турбулентности, уменьшить неустойчивый поток, снизить нежелательное сопротивление, шум и потери энергии. Теперь след от движения дельфина имеет четкую последовательность: движение хвоста, большие вихревые кольца, движение воды назад, движение вперед.

В будущих исследованиях можно будет сравнивать результаты моделирования с измерениями, безопасными для животных, и испытаниями роботов, сохраняя при этом основной вывод ясным и применимым на практике.