Ученые из университета Осаки с помощью суперкомпьютера заглянули в невидимый след, который оставляет за собой плывущий дельфин. Выяснилось, что весь секрет поразительной скорости млекопитающего кроется в иерархии водяных вихрей: гигантские водовороты работают как мощный двигатель, а мелкие оказались лишь «гидродинамическим мусором».
Почему дельфины плавают так невероятно быстро и грациозно? Этот вопрос не давал покоя биологам и физикам почти сто лет. Еще в 1936 году британский зоолог сэр Джеймс Грей, наблюдая за дельфинами у носа корабля, попытался рассчитать их мощность. Подставив данные в уравнения гидродинамики, он получил абсурдный результат: у животного просто не было достаточного количества мышечной массы, чтобы преодолевать плотность воды на скорости свыше 30 км/ч. Этот феномен вошел в историю науки как «Парадокс Грея».
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
С тех пор в научно-популярных статьях и пресс-релизах регулярно появлялись самые разные версии: одни утверждали, что дельфины секретируют особую смазку, другие — что они постоянно сбрасывают кожу, чтобы гасить турбулентность. Доля правды в этом есть, но оригинальная статья японских исследователей, недавно опубликованная в Physical Review Fluids, расставляет всё по местам. Настоящая магия кроется не столько в коже, сколько в физике вихревых потоков, порождаемых хвостом.
Измерить силы в бурлящей воде позади живого дельфина, не нарушив при этом естественный процесс плавания, практически невозможно. Поэтому команда исследователей под руководством Ютаро Мотоори (Yutaro Motoori) и Сусуму Гото (Susumu Goto) пошла другим путем. Они оставили животных в покое и загнали массивы гидродинамических данных в суперкомпьютер.
Целью ученых было смоделировать и визуализировать турбулентный поток, возникающий вокруг дельфиньего хвоста. Когда дельфин плывет, он бьет хвостом вверх-вниз. Это движение толкает воду назад и рождает сложный турбулентный след, состоящий из вихрей (или водоворотов) самых разных размеров.
Физики выяснили, что в воде разыгрывается процесс, известный как «каскад энергии». Своим мощным хвостом дельфин создает огромные вихревые кольца. Именно эти крупные водовороты работают как основной двигатель — они толкают воду назад, создавая колоссальную тягу, которая буквально выстреливает тело животного вперед.
Но на этом процесс не заканчивается. По законам физики большие вихри начинают распадаться на более мелкие, те — на еще более мелкие, и так далее (настоящая гидродинамическая матрешка). Раньше предполагалось, что весь этот турбулентный котел как-то в совокупности помогает животному плыть. Однако японский суперкомпьютер, с педантичностью разложивший поток на математические компоненты, выдал удивительный факт: мелкие водовороты вообще не помогают дельфину.
«Наши результаты показывают, что именно иерархия вихрей в турбулентности имеет решающее значение для понимания дельфиньего плавания, — отмечает старший автор исследования Сусуму Гото. — Крупные вихри отвечают за бóльшую часть тяги, тогда как мелкие — это в основном просто побочный продукт, турбулентный шум».
Любопытно, что эта схема работает безупречно на самых разных скоростях: дельфин просто манипулирует крупными вихрями, игнорируя энергетические потери на создание мелкой ряби.
Казалось бы, к чему физикам тратить дорогостоящее машинное время суперкомпьютера на изучение того, как плавают дельфины? Ответ кроется в прикладной инженерии. Природа за миллионы лет эволюции уже провела лучший бета-тест подводных двигателей.
Понимание того, как максимизировать тягу с помощью крупных вихрей и минимизировать сопротивление от мелких, — это Священный Грааль для создателей беспилотных подводных аппаратов. В будущем эти данные помогут спроектировать новые поколения энергоэффективных подводных роботов, которые смогут плавать дольше и быстрее, тратя при этом минимум заряда батареи.
В общем, пока инженеры бьются над тем, как приделать подводным дронам винты помощнее, дельфины с легкой улыбкой доказывают: чтобы быть самым быстрым, не нужна грубая сила — нужно просто знать, как правильно завихрять воду.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Столкновение пыли и искры творения
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.