Zwemmende en vliegende dieren zijn optimaal aangepast om door hun omgeving te cruisen, produceren stuwkracht via voortstuwings-vleugels voor vogels en staartvinnen voor vissen. Gedurende miljoenen jaren, de morfologie van deze dieren is geëvolueerd voor maximaal efficiënt cruisen, en ongeveer 30 jaar geleden, onderzoekers stelden voor dat de meeste zwemmers binnen een smal bereik van Strouhal-getallen varen - dit zijn dimensieloze getallen die oscillerende stroming beschrijven. En meer recentelijk, onderzoekers hebben vastgesteld dat vliegende dieren in hetzelfde bereik van Strouhal-nummers cruisen.

specifiek, voor zwemmende en vliegende dieren, het Strouhal-getal wordt gedefinieerd als St=f / U*A, waarbij f de oscillatiefrequentie is, U is de stroomsnelheid, en A is de trillingsamplitude. En het smalle bereik van Strouhal-nummers waarin zwemmende en vliegende dieren cruisen is 0.2

OKE. Dus waarom is dit smalle bereik van getallen het meest efficiënt? Daniël Florian, Tyler Van Buren en Alexander J. Smits, werktuigbouwkundigen aan de Princeton University, deed een onderzoek naar de efficiëntie van zwemmende en vliegende dieren om die vraag te beantwoorden.

Ze gebruikten een experimentele opstelling afgeleid van eerdere studies, die bestond uit een draagvlak in een watertunnel. Het draagvlak maakte biologisch relevante deinende en stampende bewegingen die werden gemeten door encoders. De onderzoekers voerden experimenten uit over alle mogelijke combinaties van kinetische parameters en analyseerden de resulterende gegevens wiskundig.

Aangezien weerstand nooit volledig kan worden geëlimineerd, perfecte efficiëntie is niet mogelijk. Maar de dieren die als de sterkste zijn geselecteerd, zijn geëvolueerd naar een beperkt aantal zeer efficiënte parameters.
Een zwemmend dier met een constante snelheid creëert stuwkracht met zijn staartvin, en ervaart weerstand geproduceerd door twee bronnen:zijn lichaam, en de "offset" weerstand veroorzaakt door het frontale gebied van de voortstuwer geprojecteerd over zijn bewegingsbereik.

Voor vliegende dieren, de fysica is enigszins anders, omdat hun voortstuwingen naast de stuwkracht ook weerstand moeten bieden aan de zwaartekracht. Echter, de noodzaak om lift te produceren heeft geen invloed op de fysica van voortstuwing en weerstand wanneer het dier op een constante kruissnelheid is.

In eerdere onderzoeken is onderzoekers suggereerden dat bewegingen met grote amplitude het Strouhal-getal bepalen voor efficiënt cruisen. De auteurs van de huidige studie stellen dat de amplitude de totale efficiëntie bepaalt zonder het optimale Strouhal-getal te dicteren. In plaats daarvan, de auteurs schrijven, "de offset-weerstand is cruciaal bij het bepalen van het lage Strouhal-gedrag en het instellen van de specifieke Strouhal waarbij piekefficiëntie optreedt."

Drag blijkt de sleutel te zijn. Op basis van hun analyse, de onderzoekers concluderen dat het bereik van Strouhal-getallen dat zeer efficiënt cruisen voor zwemmende en vliegende dieren definieert, grotendeels wordt bepaald door de vloeiende weerstand op vinnen en vleugels. "Met andere woorden, " concluderen de auteurs, "energetische overwegingen stellen de kinematica van de voortstuwer tot de meest efficiënte, en de netto stuwkracht van de voortstuwer bij maximale efficiëntie balanceert de weerstand van het lichaam om de kruissnelheid in te stellen."

© 2018 Fys.org