Kraft og træk rolle tydeliggjort for svømmende mikroorganismer

Årevis, B. Ubbo Felderhof, professor ved Institut for Teoretisk Fysik ved Tysklands RWTH Aachen University, har udforsket de mekanismer, som fisk og mikroorganismer er afhængige af for at drive sig selv frem. Flyvende fugle og insekter står over for lignende udfordringer ved at drive sig selv frem, men uden opdrifts luksus kæmper disse skabninger også med at overvinde tyngdekraften for at blive højt.

For over 20 år siden, Felderhof studerede teorien bag "svømning" af mikroorganismer, beskrevet af friktionsinteraktionerne mellem mikrolegemerne og deres omgivende væske. På grund af den lille masse af mange sådanne mikroorganismer som bakterier, sådanne træghedskræfter kunne negligeres i beskrivelsen. For lidt større organismer, imidlertid, dette var ikke tilfældet.

Felderhof har siden skabt mekaniske modeller for mere fuldt ud at udvikle teorien, bestående af lineære kæder af kugler forbundet med fjedre og nedsænket i væske. Her tog han hensyn til, at interaktionen med væsken involverer både friktion og inerti, da effekten af ​​masse ikke kan negligeres for disse større strukturer.

Som Felderhof nu melder ind Væskers fysik , han har bare skubbet dette arbejde endnu mere ved at tage fat på, hvad der sker i tilfælde af at tilføje en kugle til kæden, der er meget større end de andre sfærer.

Felderhof studerer sfærers strukturer, fordi virkningen af ​​friktion og væsketræthed på bevægelsen af ​​en enkelt kugle er temmelig velkendt. Med flere sfærer, imidlertid, billedet er mere komplekst og skal tage hensyn til positioner og orienteringer. "For flere sfærer, der er komplikation af hydrodynamiske interaktioner på grund af interferens af strømningsmønstre, "sagde han." Disse hydrodynamiske interaktioner afhænger af kuglecentrenes relative positioner. "

Hvis kuglernes relative positioner varieres periodisk ved at påføre en oscillerende kraft på hver af dem, med den begrænsning, at den samlede nettokraft til enhver tid forsvinder, systemet ser stadig bevægelse. "På trods af sidstnævnte begrænsning, sættet af kugler udfører generelt en nettobevægelse, som kaldes 'svømning, " sagde Felderhof.

En matematisk formulering gør det muligt at finde det optimale slag - de kombinerede påførte kræfter - der giver den maksimale gennemsnitshastighed for en given effekt.

Til dette nye værk, Felderhof udforskede en lineær kæde af kugler med en stor, passiv sfære, hvilket betyder, at den påførte kraft på den sfære forsvinder. "Den store sfære kaldes 'lasten, "sagde han." Tænk på det som en stor krop med små bevægelige vedhæng, eller af en båd, der bliver skubbet eller trukket af en lille propel. "

Hans arbejde giver en vigtig konceptuel afklaring af flowteori. "I populære forklaringer på svømning og flyvning, vi får at vide, at hastighed opnås ved en balance mellem tryk og træk, " sagde Felderhof. "Mine modelberegninger, imidlertid, viser, at middelværdien og træk begge forsvinder, når de er gennemsnitsværdige over en periode. Effekten er mere subtil. Interaktioner mellem krop og væske er sådan, at periodiske formdeformationer af kroppen fører til en nettobevægelse i forhold til væsken, selvom nettets fremstød forsvinder."

Meget af det tidligere arbejde med svømning har koncentreret sig om enten den friktionsdominerede grænse, gælder for mikroorganismer, eller på den inertidominerede grænse, gælder for store dyr. "I min model, både friktion og inerti spiller en rolle, så svømning kan studeres i mellemregimet, hvor begge effekter er vigtige, " han sagde.

Med hensyn til applikationer, den svømmende lineære kædemodel er særlig nyttig på grund af dens slanke struktur og evne til at rejse gennem smalle rør, sådanne menneskelige årer.

"Biologer har allerede overvejet muligheden for lægemiddeltransport via sådanne midler, "Felderhof sagde." Og nu har vi udviklet en matematisk model, der tillader optimering af deformationer af kroppen, hvilket fører til maksimal hastighed for given effekt. Denne metode er ikke begrænset til lineære kæder, så vi kan forestille os at anvende det på mere komplicerede strukturer i fremtidigt arbejde."

Først, Felderhof påpeger, at det er vigtigt at validere modellen ved sammenligning med computersimuleringer og efterfølgende eksperimenter, som er uden for hans fokus, så han håber, at andre forskere vil forfølge det.

"Friktion og inerti er ikke de eneste effekter, der kan føre til svømning, "Felderhof sagde." Flappning fører til hvirvelstrømning og muligvis en 'gade' af hvirvler. Denne effekt er fraværende i min model, men kan være afgørende for svømning af nogle fisk og for flyvende fugle. Det vil være værdifuldt at fastslå den relative betydning af friktion, inerti, og hvirvelafgivelse, men på nuværende tidspunkt kan jeg ikke se, hvordan dette kan opnås i analytisk teori. Igen, computersimulering ville være nyttigt. "