Hvordan evolution bygger de mest effektive flyveplader

Svømning og flyvende dyr er optimalt tilpasset til cruising gennem deres miljøer, producerer stød via fremdrivere - vinger til fugle og kaudale finner til fisk. Over millioner af år, disse dyrs morfologi udviklede sig til maksimalt effektiv cruising, og for cirka 30 år siden, forskere foreslog, at de fleste svømmere krydstogter inden for et snævert område af Strouhal -tal - det er dimensionsløse tal, der beskriver oscillerende flow. Og for nylig, forskere fastslog, at flyvende dyr krydser i samme række Strouhal -tal.

Specifikt, til svømning og flyvende dyr, Strouhal -tallet er defineret som St =f / U*A, hvor f er svingningsfrekvensen, U er strømningshastigheden, og A er oscillationsamplituden. Og den snævre vifte af Strouhal -tal, hvor svømning og flyvende dyr krydser, er 0,2

OKAY. Så hvorfor er denne snævre rækkevidde det mest effektive? Daniel Floryan, Tyler Van Buren og Alexander J. Smits, mekaniske ingeniører ved Princeton University, gennemført en undersøgelse af svømning og flyvende dyrs effektivitet for at besvare dette spørgsmål.

De brugte en eksperimentel opsætning afledt af tidligere undersøgelser, som bestod af en flyveprofil i en vandtunnel. Flyvepladen lavede biologisk relevante hæve- og slagbevægelser, der blev målt ved hjælp af encodere. Forskerne udførte eksperimenter over alle mulige kombinationer af kinetiske parametre og analyserede de resulterende data matematisk.

Da træk aldrig kan elimineres fuldstændigt, perfekt effektivitet er ikke mulig. Men de dyr, der er udvalgt som de stærkeste, har udviklet sig til et snævert spektrum af meget effektive parametre.
Et svømmende dyr med en konstant hastighed skaber tryk med sin halefinne, og oplever træk produceret af to kilder:dens krop, og "offset" -trækket forårsaget af fremdriftens frontale område projiceret over dets bevægelsesområde.

Til flyvende dyr, fysikken er noget anderledes, da deres fremdrivere skal modstå tyngdekraften ud over at give tryk. Imidlertid, behovet for at producere løft påvirker ikke fremdrifts- og trækfysikken, når dyret er i en konstant krydshastighed.

I tidligere undersøgelser, forskere foreslog, at bevægelser med stor amplitude satte Strouhal-tallet til effektiv sejlads. Forfatterne til den aktuelle undersøgelse hævder, at amplituden sætter den samlede effektivitet uden at diktere det optimale Strouhal -tal. I stedet, forfatterne skriver, "offset -trækket er afgørende for at bestemme den lave Strouhal -adfærd og indstille den særlige Strouhal, hvor maksimal effektivitet forekommer."

Træk viser sig at være nøglen. Baseret på deres analyse, forskerne konkluderer, at rækkevidden af ​​Strouhal -tal, der definerer meget effektiv cruising til svømning og flyvende dyr, i vid udstrækning bestemmes af væskemodstanden på finner og vinger. "Med andre ord, "konkluderer forfatterne, "energiske overvejelser sætter drivmotorens kinematik til den mest effektive, og drivkraftens nettostød ved maksimal effektivitet balancerer kroppens træk for at indstille marsjhastigheden. "

© 2018 Phys.org