Voor jaren, B. Ubbo Felderhof, een professor aan het Instituut voor Theoretische Fysica aan de Duitse RWTH Aachen University, heeft de mechanismen onderzocht waarop vissen en micro-organismen vertrouwen om zichzelf voort te stuwen. Vliegende vogels en insecten staan ​​voor soortgelijke uitdagingen om zichzelf voort te stuwen, maar zonder de luxe van drijfvermogen hebben deze wezens ook te kampen met het overwinnen van de zwaartekracht om in de lucht te blijven.

Ruim 20 jaar geleden, Felderhof bestudeerde de theorie achter het 'zwemmen' van micro-organismen, beschreven door de wrijvingsinteracties tussen de microlichamen en hun omringende vloeistof. Vanwege de kleine massa van veel van dergelijke micro-organismen zoals bacteriën, dergelijke traagheidskrachten kunnen in de beschrijving worden verwaarloosd. Voor iets grotere organismen, echter, dit was niet het geval.

Felderhof heeft sindsdien mechanische modellen gemaakt om de theorie vollediger te ontwikkelen, bestaande uit lineaire ketens van bollen verbonden door veren en ondergedompeld in vloeistof. Hier hield hij er rekening mee dat de interactie met de vloeistof zowel wrijving als traagheid omvat, omdat het effect van massa niet kan worden verwaarloosd voor deze grotere structuren.

Zoals Felderhof nu meldt in Fysica van vloeistoffen , hij heeft dit werk nog verder geduwd door in te gaan op wat er gebeurt in het geval van het toevoegen van één bol aan de keten die veel groter is dan de andere bollen.

Felderhof bestudeert structuren van bollen omdat het effect van wrijving en vloeibare traagheid op de beweging van een enkele bol vrij goed bekend is. Met meerdere sferen, echter, het beeld is complexer en moet rekening houden met posities en oriëntaties. "Voor meerdere sferen, er is de complicatie van hydrodynamische interacties als gevolg van interferentie van stromingspatronen, " zei hij. "Deze hydrodynamische interacties hangen af ​​van de relatieve posities van bolcentra."

Als de relatieve posities van de bollen periodiek worden gevarieerd door op elk van hen een oscillerende kracht uit te oefenen, met de beperking dat de totale netto kracht op elk moment verdwijnt, het systeem ziet nog steeds beweging. "Ondanks de laatste beperking, de verzameling bollen voert in het algemeen een nettobeweging uit, dat heet 'zwemmen, ', aldus Felderhof.

Een wiskundige formule maakt het mogelijk om de optimale slag te vinden - de gecombineerde uitgeoefende krachten - die de maximale gemiddelde snelheid voor een bepaald vermogen oplevert.

Voor dit nieuwe werk Felderhof verkende een lineaire keten van bollen met één grote, passieve sfeer, wat betekent dat de uitgeoefende kracht op die bol verdwijnt. "De grote bol wordt de 'lading' genoemd, '" zei hij. "Zie het als een groot lichaam met kleine bewegende aanhangsels, of van een boot die wordt geduwd of getrokken door een kleine propeller."

Zijn werk biedt een belangrijke conceptuele verduidelijking van de stromingstheorie. "In populaire verklaringen van zwemmen en vliegen, ons is verteld dat snelheid wordt bereikt door een balans tussen stuwkracht en weerstand, " zei Felderhof. "Mijn modelberekeningen, echter, laten zien dat de gemiddelde stuwkracht en weerstand beide verdwijnen wanneer ze over een periode worden gemiddeld. Het effect is subtieler. Interacties van lichaam en vloeistof zijn zodanig dat periodieke vormvervormingen van het lichaam leiden tot een netto beweging ten opzichte van de vloeistof, ook al verdwijnt de netto stuwkracht."

Veel van het eerdere werk over zwemmen was gericht op de door wrijving gedomineerde limiet, geldig voor micro-organismen, of op de door traagheid gedomineerde limiet, geldig voor grote dieren. "In mijn model zowel wrijving als traagheid spelen een rol zodat zwemmen kan worden bestudeerd in het tussenregime, waarbij beide effecten belangrijk zijn, " hij zei.

Op het gebied van toepassingen, het zwemmende lineaire kettingmodel is bijzonder nuttig vanwege de slanke structuur en het vermogen om door smalle buizen te reizen, zulke menselijke aderen.

"Biologen hebben de mogelijkheid van drugstransport via dergelijke middelen al overwogen, " Felderhof zei. "En nu hebben we een wiskundig model ontwikkeld dat optimalisatie van vervormingen van het lichaam mogelijk maakt, wat leidt tot maximale snelheid voor gegeven vermogen. Deze methode is niet beperkt tot lineaire ketens, zodat we ons kunnen voorstellen het in de toekomst op meer gecompliceerde structuren toe te passen."

Eerst, Felderhof wijst erop dat het belangrijk is om het model te valideren door vergelijking met computersimulaties en daaropvolgende experimenten, die buiten zijn aandacht ligt, dus hij hoopt dat andere onderzoekers het zullen nastreven.

"Wrijving en traagheid zijn niet de enige effecten die kunnen leiden tot zwemmen, " Felderhof zei. "Klapperen leidt tot vortex shedding en mogelijk een 'straat' van vortexen. Dit effect is afwezig in mijn model, maar kan essentieel zijn voor het zwemmen van sommige vissen en voor vliegende vogels. Het is van belang om het relatieve belang van wrijving vast te stellen, luiheid, en vortexverlies, maar op dit moment zie ik niet hoe dit in analytische theorie kan worden bereikt. Opnieuw, computersimulatie zou nuttig zijn."