Physik des Fischschwimmens

Physik des Fischschwimmens
Fish Swimming Physique - Strategischer Schwimmer. Der Rotnasensalmler (Hemigrammus bleheri) verwendet ein bissiges und küstennahes Schwimmmuster. Roberto/stock.adobe.com

Einige Fischarten schwimmen in einem Vorwärtsschubmuster, bei dem sich ihre Körper abwechselnd wellen und stationär bleiben, wenn sie sich dem Ufer nähern. Obwohl intermittierendes Schwimmen schwieriger zu simulieren ist als kontinuierliches Schwimmen, haben die Forscher nun eingehende Simulationen durchgeführt, um die Vorteile dieses Modus für Fische und seine potenziellen Anwendungen für fischähnliche Roboter zu verstehen. In dem Video der Simulationen ist ein virtueller Fisch zu sehen, der zappelt und beschleunigt, bevor er ruhig fast zum Stillstand kommt. Die Forscher entdeckten, dass die Verringerung des Luftwiderstands durch eine aerodynamischere Körperhaltung den fehlenden Vortrieb während der Andockphase kompensieren könnte. Diese Taktik funktioniert jedoch am besten, wenn Parameter wie die Vorwärtslänge optimiert werden.

Obwohl Forscher auf der Grundlage von Tests und analytischen Modellen allgemein anerkannt haben, dass das Schwimmen im Abstand effektiver sein kann, war eine umfassende Simulation schwierig, teilweise aufgrund des instationären Charakters der Strömung. Ein zweistufiges Protokoll wurde von Gen Li und Kollegen von der Japan Sea-Earth Science and Technology Agency (JAMSTEC) erstellt. In der ersten Stufe simulieren sie eine Reihe von langen Stacheln und Uferläufen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen für Fischschwall. Anschließend verwenden sie die Bits dieser Simulationsinformationen, die sie kopieren und einfügen, um zufällige Burst- und Shore-Schwimmmuster zu reproduzieren.

Mit dieser Methode, die sie zuvor durchgeführt haben, konnten die Forscher die idealen Werte von Variablen wie Frequenz und Amplitude der Wellen ohne nennenswerten Rechenaufwand ermitteln. Sie können die Wirksamkeit von intermittierendem und kontinuierlichem Schwimmen sehr detailliert vergleichen. Eine lange Simulation, die in der Datenbank verwendet wird, wird im Video gezeigt. Diese Simulation beginnt mit 15 Tailspin-Zyklen und dauert dann eine Weile.

Viele Parameter können im Laufe der Zeit von Li und Kollegen überwacht werden, darunter Luftwiderstand, Eingangsleistung und Schub, die zuvor unbemerkte schnelle Änderungen zeigen. Forscher haben herausgefunden, dass Sprints und schnelles Schwimmen weniger Energie verbrauchen als kontinuierliches Schwimmen, aber diese Taktik kann zu ineffektiv werden, wenn beispielsweise die Länge jedes Sprints und schnellen Zyklus zu lang ist. Fischähnliche Roboterdesigner müssen ihre Schwimmparameter sorgfältig optimieren, um ihren Energieverbrauch zu reduzieren, denn echte Fische haben zweifellos Millionen von Jahren Zeit, um dieses Schwimmmuster zu entwickeln.

Quelle: physical.aps.org/articles/v16/8

 

 

 

Günceleme: 17/01/2023 12:43

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