Гидродинамики научат рыб быстро плавать
В своем новом исследовании американские гидродинамики нашли основные физические параметры, которые определяют оптимальный режим плавания рыб и водных млекопитающих. Оказалось, что максимальная скорость достигается при минимальных усилиях, если отношение амплитуды колебания хвоста животного к длине его тела составляет от 10 до 30 процентов. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids.
Движение рыбы за счет хвостового плавника довольно хорошо оптимизировано: при минимальных тратах энергии они достигают максимальной скорости. До последнего времени считалось, что удается им это благодаря управлению безразмерным числом Струхаля, которое связывает скорость движения с частотой и амплитудой колебательных движений хвоста. Для того, чтобы тратить наименьшие усилия, эти значения не должны выходить за пределы диапазона от 0,2 до 0,4. В этом плавание рыб похоже на полет птиц: несмотря на то, что механизмы движения разные, они описываются практически одинаковым диапазоном чисел Струхаля.
В своей новой работе гидродинамики из США сделали вывод, что на самом деле скорость плавния определяется двумя параметрами: кроме числа Струхаля важным также является отношения амплитуды колебаний хвоста к длине тела, и более важным из них является второй. Для своего исследования ученые сделали оценки для соотношения безразмерных величин, определяющих динамику движения, и проверили их на простой экспериментальной установке (подробнее о ней рассказывается ниже), после чего сравнили полученные результаты с известными данными для разных видов водных животных: форели, нескольких видов дельфинов, черной акулы, плотвы и скумбрии.
Теоретические оценки показали, что при относительно маленьких скоростях, когда сила сопротивления прямо пропорциональна скорости, число Струхаля падает при возрастании скорости. Но когда величина скорости поднимается выше критической, сопротивление становится пропорцианально квадрату скорости и значение числа Струхаля выходит на постоянное значение в районе 0,3. При этом рыба перестает его контролировать: в таком режиме оно полностью определяется формой ее тела и вязкостью жидкости. Однако удалось показать, что при таком плавании скорость движения оказывается пропорциональна частоте колебаний хвостого плавника, а энергетические потери контролируются за счет изменения их амплитуды.
Для того, чтобы подтвердить сделанные оценки, гидродинамики собрали простую установку, в которой вместо рыбы использовался прямоугольный кусочек гибкой фольги. Его прикрепили к небольшому мотору, с помощью которого фольга совершала колебательные движения с определенной амплитудой, и поместили в поток жидкости. Одновременные измерения скорости жидкости, амплитуды и частоты колебаний фольги подвердили существование оптимального значения отношения амплитуды колебаний к длине тела в районе 25 процентов.
Финальной частью работы было сравнение полученных теоретических и лабораторных результатов с данными, известными для реальных водных животных. Оказалось, что действительно для движения со скоростями, при которых сопротивление пропорционально квадрату скорости, число Струхаля у таких животных практически не меняется. Более того, оно очень слабо зависит и от вида животного. А найденное значение оптимальной амплитуды колебаний хвоста подтвердилось: если рыба плывет достаточно быстро, то тратить меньше всего сил она будет, когда трясет своим хвостом с амплитудой от 10 до 30 процентов от длины своего тела.
Раньше мы писали, что сэкономить силы при плавании рыбы могут и другими способами, например, Читать дальше.
Александр Дубов
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.