Met hun samengedrukte lichamen en flexibele borstvinnen, pijlstaartroggen zijn geëvolueerd tot een van de meest efficiënte zwemmers van de natuur. Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd welke rol hun uitstekende ogen en mond spelen, waarvan men zou verwachten dat het hydrodynamische nadelen zijn.

In Fysica van vloeistoffen , Chinese en Zuid-Koreaanse onderzoekers beschrijven hoe dergelijke kenmerken op gesimuleerde pijlstaartroggen een reeks krachten beïnvloeden die betrokken zijn bij voortstuwing, zoals druk en vorticiteit. Ondanks wat men zou verwachten, de groep vond deze uitstekende functies om pijlstaartroggen nog verder te stroomlijnen.

"De invloed van 3D uitstekende ogen en mond op een zelfrijdende flexibele pijlstaartrog en het onderliggende hydrodynamische mechanisme zijn nog niet volledig begrepen, " zei auteur Hyung Jin Sung, van het Korea Advanced Institute of Science and Technology. "In de huidige studie, het hydrodynamische voordeel van uitstekende ogen en mond werd voor het eerst onderzocht, het onthullen van de hydrodynamische rol van uitstekende ogen en mond."

Om het complexe samenspel tussen hydrodynamische krachten te illustreren, de onderzoekers gingen aan de slag met het maken van een computermodel van een zelfrijdende flexibele plaat. Ze "klemden" de voorkant van het model en dwongen het vervolgens om de op-en-neer harmonische oscillaties na te bootsen die pijlstaartroggen gebruiken om zichzelf voort te stuwen.

Om het effect van ogen en mond op het omringende water na te bootsen, het team simuleerde meerdere stijve platen op het model. Ze vergeleken dit model met een model zonder ogen en mond met behulp van een techniek die de penalty-ondergedompelde grensmethode wordt genoemd.

"Het is moeilijk om willekeurige vissen die zwemmen te beheren en het gewenste meetdoel te isoleren van tal van factoren, " zei Sung. "Om deze beperkingen te overwinnen, om de hydrodynamische voordelen van de vooruitstekende ogen en mond te vinden, is de methode van de ondergedompelde grens gebruikt.

De groep ontdekte dat de ogen en de mond een draaikolk van stroom opwekten in de voorwaartse, achterwaartse, die de negatieve druk aan de voorkant van het gesimuleerde dier verhoogde, en een zij-aan-zij vortex die het drukverschil tussen boven en onder de pijlstaartrog vergroot. Het resultaat was meer stuwkracht en versneld cruisen.

Verdere analyse toonde aan dat de ogen en mond de algehele voortstuwingsefficiëntie met meer dan 20,5% en 10,6% verhoogden, respectievelijk.

Sung en zijn team hopen dat hun werk, gedreven door nieuwsgierigheid, wekt verder interesse in het onderzoeken van vloeistoffenomenen in de natuur. Ze zijn op zoek naar manieren om dit aan te passen voor ontwerpen van watervoertuigen van de volgende generatie die meer op zeedieren zijn gebaseerd.