Биология
Википедия
Биология
Биологией называется наука о жизни. Биология – одна из естественных наук, объекты которой – это живые существа и их взаимоотношения с окружающей средой. Б... читать далее »
Новости Биологии
10.01.2013 17:40
Нарушение симметрии создаёт подъёмную силу без роста сопротивления. Биология.
Антарктический моллюск морской ангел способен использовать для передвижения даже такое течение, которое направлено, казалось бы, вовсе не в нужную ему сторону.
Полупрозрачный антарктический моллюск морской ангел (Clione antarctica) движется, шевеля своими полупрозрачными параподиями, примерно так:
Или так, как его родственники из Северного полушария:
Видите, что параподии движутся слегка по-разному? Реснички на поверхности тела моллюска при его перемещении могут быть как подвижными, так и неподвижными, и тем не менее даже во втором случае они вносят свой вклад в движение. Как?
Шервин Багхери, Андреа Мацционо и Алессандро Ботарро из Университета Генуи (Италия) опубликовали исследование, в котором утверждают, что движущиеся моллюски применяют механизмы нарушения симметрии. Более того, при этом существо создаёт подъёмную силу без увеличения сопротивления.
«Мы показали, что короткий гибкий участок, соединяющийся с параподиями, гребёт под углом в 20–40˚ справа или слева от входящего внешнего потока, создавая результирующую силу, действующую в поперечном направлении без каких-либо дополнительных усилий [со стороны моллюска], — рассказывает Шервин Багхери. — Это типичный пример того, как наличие даже скромных выступающих частей у животных помогает им при взаимодействии с присутствующими в окружающей среде потоками жидкости, без приложения каких-либо усилий».
Ранее исследователи моделировали процессы, происходящие с двухмерным округлым цилиндром, который был помещён в поток жидкости, текущей от его передней части к задней. При этом оказалось (в аэродинамике это давно не секрет), что
поток за цилиндром состоит из закручивающихся вихрей. А вихри, обтекающие цилиндр сверху, являются копиями тех, что обтекают его снизу; иными словами, между этими группами вихрей есть симметрия.
Рис. 1. Морские ангелы живут в полярных водах на полукилометровых глубинах. Пища (морские черти) там редка, поэтому они привыкли голодать и бережно расходовать силы. (Здесь и ниже фото А. Семёнова).
Когда сходные процессы происходят с конечностями живых существ при регулярном взмахивании (гребле), вихри развиваются таким же образом. Но если две сохраняющих симметрию обтекания системы взаимодействуют между собой, дело усложняется. Так, если короткую тонкую нить присоединить к задней части цилиндра, то она будет пассивно осциллировать (колебаться) либо в верхней, либо в нижней части «кильватерной струи» цилиндра.
В итоге симметрия нарушается: вихри становятся разной силы, и результирующая оказывается направленной либо вверх, либо вниз. Авторы работы ассоциируют происходящее с вихревыми дорожками фон Кармана. «Нарушение симметрии вызывает асимметричное распределение давлений вокруг тела, которое оборачивается ненулевыми результирующими силами и ненулевой тягой, — поясняет г-н Багхери. — Этот переход, бифуркация от симметричной гребли к несимметричной возникает тогда, когда морской ангел уменьшает длину эластичных нитей [ресничек].
Очень длинные эластичные нитевидные структуры, прикрепленные к заднему концу тела, будут колебаться (как флаг, развевающийся на древке) в том же направлении, что и входящий поток. Но, как мы показали, как только нитевидная структура становится короче определённого критического значения, всё происходит иначе».
Рис. 2.
Интересно, что в ходе этого фазового перехода результирующая сила от потока, идущего в противоположном моллюску направлении, начинает помогать ему двигаться навстречу потоку, примерно как при движении парусного судна в бейдевинд. Только «бейдевинд» морского ангела настолько эффективен, что действует даже в положении левентик — то есть при течении (потоке), направленном прямо в лоб животному.
Строго говоря, гидродинамически всё это происходит небесплатно. Реснички, выставленные в поток, создают некоторое сопротивление. Но,
во-первых, оно невелико из-за умеренной скорости моллюска, а
во-вторых, реснички и так уже находятся на его теле, поэтому сопротивление имело бы место в любом случае.
Словом, такую подъёмную силу действительно следует квалифицировать как «бесплатную».
«Всё это может принести пользу в технологических приложениях, там, где необходимо создать боковую или подъёмную силу, воздействующую на тело без увеличения сопротивления окружающей среды, — полагает г-н Багхери. — Неожиданно здесь то, что если мы сравним сопротивление для тел без таких эластичных [нитевидных] структур и тел с такими структурами, то сопротивление в отношении вторых не выше, чем для первых».
Кстати, не очень ясно, насколько это, казалось бы, экстраординарное утверждение верно для тел в воздушной, а не водной среде.
Однако итальянские физики ещё до экспериментов полагают, что взаимодействие перьев птиц с потоком набегающего воздуха построено по тому же принципу. А значит, сходные технологические приспособления могут быть применены в летательных аппаратах…
Соответствующее исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Источник