Vi ved endelig, hvordan fisk svømmer så hurtigt

Når det kommer til svømning, viser fisk en ubesværet ynde og kraft, som mennesker kun kan drømme om. Mens de hurtigste fisk svømmer med op til 70 miles i timen, har intet menneske nogensinde klaret selv 4 mph i vand. Selv de hurtigste ubåde har en tophastighed på kun 50 mph.

Præcis hvordan fisk klarer denne bedrift er noget mystik. Fysikere, biologer og ingeniører har længe undret sig over den karakteristiske bølgende bevægelse og de hydrodynamiske kræfter, den genererer. Faktisk har de to teorier om hydrodynamisk fremdrift til at forklare det, selvom de stammer fra 1950'erne og 60'erne. Men ingen har fundet ud af, hvad der er korrekt.

I dag ændrer det sig takket være arbejdet udført af Tingyu Ming ved Beijing Computational Science Research Center i Kina og forskellige kolleger. Disse fyre har modelleret fiskefremdrift på en supercomputer og kalibreret resultaterne ved hjælp af detaljerede målinger af bevægelsen af ​​rigtige fisk. Deres model forklarer for første gang, hvordan fisk genererer stød, og endda hvorfor visse anatomiske strukturer, såsom sener, er så vigtige.

Først lidt baggrund. I fiskens karakteristiske bølgende svømmebevægelse trækker musklerne sig sekventielt sammen langs kroppen for at generere en bagudgående bølge af kropsbøjning. Dette skubber mod vandet og frembringer tryk.

Men præcis hvordan dette fremstød opstår er noget af et puslespil. I 1952 overvejede den britiske fysiker Geoffrey Taylor samspillet mellem hvert segment af en fisks krop med vand. Hans idé var, at hvert segment genererer træk, en modstand mod bevægelse. Når segmentet bølger, er modstanden større i en vinkelret retning på kroppen end parallelt med den. Resultatet er tryk i parallel retning eller fremad. Denne idé er kendt som modstandskraftteori.

Men i 1960 fremsatte en britisk matematiker, James Lighthill, en anden idé, hvor den dominerende effekt er vandets inerti. Dette gør det muligt for en flad plade at generere tryk ved at vinke med en lille amplitude. Dette er kendt som elongated body-teori.

Den vigtigste forskel mellem disse teorier er den type kraft, der genereres. For Taylor er det modstandskraft, som virker i den modsatte retning af bevægelse af en krop, men er i fase med denne hastighed. For Lighthill er det reaktiv kraft, som virker i modsat retning af en aktionskraft og er i fase med accelerationen.

Det kan virke som en subtil forskel, men det er nøglen til at forstå fiskens fremdrift og til at reproducere den kunstigt. Derfor er det vigtigt at vide, hvilken teori man skal bruge.

For at finde ud af det skabte Tingyu og co en 3D-beregningsvæskedynamikmodel af to typer fisk: anguilliforme svømmere som ål og carangiform svømmere som makrel. Den største forskel er, at anguilliforme bølger hele deres kroppe, mens kun den bagerste halvdel af carangiforme kroppe bøjer sig betydeligt.

Holdet brugte rigtige undersøgelser af fiskebevægelser til at kalibrere deres modeller og beregnede derefter kraften, drejningsmomentet og kraften genereret af hver type kropsform.

Resultaterne giver interessant læsning. Det viser sig, at begge teorier er korrekte, men for forskellige kropsformer og endda for forskellige dele af disse kroppe.

For eksempel er modstandskræfter vigtigere for både makrel-svømmere og åle-svømmere i den midterste del af kroppen, som er relativt glat og ensartet. Men reaktive kræfter spiller en meget større rolle nær halerne af makrel-type svømmere.

Elasticitet spiller også en vigtig rolle. Ingen har været i stand til at måle elasticiteten af ​​fiskekroppe, mens de svømmer, men konsensus er, at elasticitet skal hjælpe med at lagre energi og forbedre effektiviteten af ​​svømning.

Tingyu og cos model giver også her en vis indsigt ved at vise, hvordan elasticiteten varierer med den kraft og kraft, som kroppen genererer. Forskerne viser, hvordan ål og makrel skal blive elastiske forskellige steder i kroppen og på forskellige punkter under hver bølgende cyklus. Denne observation er i overensstemmelse med resultaterne af tidligere undersøgelser om, at passende elasticitet kan spare og genoprette energi for at forbedre effektiviteten, siger de.

Det rejser spørgsmålet om, hvordan denne energioverførsel sker gennem fiskekroppe. Et af de forvirrende anatomiske træk ved svømmere af makrel-typen er, at de har sener, der strækker sig langs deres kroppe mod halerne. Hvis hver hvirvel fungerede som en uafhængig enhed, som Taylors teori antyder, ville denne form for sene ikke være nødvendig.

Men i den nye model udviklet af Tingyu og co, er det præcis, hvad der er brug for. Vi antager, at disse lange sener bruges til at overføre energi, siger de.

Det er interessant arbejde, og ikke kun fordi det giver et detaljeret indblik i en af ​​de mest almindelige former for fremdrift i den naturlige verden. Det viser sig, at fiskefremdrift er langt mere komplekst end oprindeligt antaget, og formodentlig tilsvarende vanskeligt at reproducere kunstigt.

Men arbejdet fra Tingyu og co tilbyder en vej frem for bioingeniører, der håber på at reproducere fiskefremdrift i kunstige enheder. Det kan også en dag hjælpe ubåde til at rejse hurtigere. Mennesker har meget at indhente!

Ref: arxiv.org/abs/1812.02410 : Sådan svømmer fisk: en 3D-beregningsundersøgelse af væskedynamik

skjule