Дельфины по праву считаются одними из самых грациозных и быстрых обитателей океана, однако физика их передвижения долгое время оставалась загадкой из-за сложности турбулентных процессов. Когда это морское млекопитающее совершает удары хвостом вверх и вниз, оно отталкивает воду назад, создавая хаотичные потоки с множеством завихрений разного масштаба.
Ученые объяснили, как дельфинам удается развивать такую высокую скорость
Ученые из Университета Осаки провели масштабное численное моделирование, чтобы выяснить механизмы высокой скорости дельфинов. Используя суперкомпьютеры, исследователи проанализировали структуру турбулентных потоков и определили, какие именно элементы водной среды играют ключевую роль в создании тяги.
Дельфин. Unsplash
Энергетический каскад в гидродинамике. Понятие энергетического каскада, которое использовали ученые, описывает процесс передачи кинетической энергии от крупных движений жидкости к более мелким. Взмах хвоста создает большое «кольцо» воды. Это кольцо из-за трения и инерции начинает распадаться на средние вихри, а те — на еще более мелкие, пока энергия не рассеется в виде тепла. Японские ученые доказали, что для скорости дельфина важен только первый «шаг» этого процесса — создание самых больших вихрей, в то время как последующий распад энергии на мелкие части является неизбежным, но бесполезным для движения шумом.
До недавнего времени было крайне трудно понять, как именно эти разрозненные движения складываются в мощный поступательный импульс. Японские физики решили применить мощь современных вычислительных систем, чтобы декомпозировать поток и взглянуть на невидимые структуры воды. Работа опубликована в журнале Physical Review Fluids.
Иерархия вихрей, создаваемых плавающим дельфином.
Как отмечает ведущий автор работы Ютаро Мотоори: «Наша цель — понять, какие части турбулентного потока помогают дельфинам плавать так быстро. Используя суперкомпьютер, мы можем моделировать и разлагать поток, чтобы определить, какие компоненты играют доминирующую роль». Это позволило детально рассмотреть динамику жидкости, которую практически невозможно зафиксировать в ходе натурных экспериментов с живыми существами.
Иерархия вихрей и новые технологии
Дельфины.
Результаты исследования показали, что в процессе плавания возникает строго определенная иерархия водных структур. Основную движущую силу создают мощные крупномасштабные вихревые кольца, порождаемые энергичными движениями хвоста. Именно они отвечают за эффективный выброс массы воды назад, который толкает тело животного вперед.
В то же время крупные вихри запускают процесс, известный как энергетический каскад, в результате которого образуется множество мелких завихрений. Несмотря на свою многочисленность, эти мелкие структуры являются лишь побочным продуктом турбулентности и практически не участвуют в создании тяги.
Исследователи подчеркивают, что данные выводы остаются верными для самого широкого диапазона скоростей. Полученные знания имеют большое значение не только для биологии, но и для инженерного дела. Понимание механики вихрей поможет в проектировании подводных роботов нового поколения, которые будут обладать повышенной энергоэффективностью и скоростью. Кроме того, результаты ученых могут лечь в основу технологий управления турбулентностью в различных технических средах, делая морской транспорт более совершенным.