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鱼类游泳的物理机制

作者:佚名 2015-07-01 浏览: 1,728 评论:0

摘要: 通过分析鱼类游泳时周围水体的拉格朗日拟序结构 (Lagrangian coherent structures),科学家们揭示了鱼类在水中游进的物理机制,该研究方法有助于对飞机飞行动力学和其他复杂流体流动的研究。 三个水涡旋,在鱼运动前(上图)和运动后(下图)...

通过分析鱼类游泳时周围水体的拉格朗日拟序结构 (Lagrangian coherent structures),科学家们揭示了鱼类在水中游进的物理机制,该研究方法有助于对飞机飞行动力学和其他复杂流体流动的研究。

鱼类游泳的物理机制

三个水涡旋,在鱼运动前(上图)和运动后(下图)的样子。图片来源:F.Huhn/苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich)

都说鱼儿水中游,轻松又自由,但是看看它们扭动身躯时在水中留下的涟漪便知一切并不像看起来那么轻松,鱼儿要不断地和周围的水体交换能量,才能产生动力推动它们游进,由于大量水体不断流动的性质,这种能量的转换很难被量化计算。

对于彼此分离的物体,往往比较容易计算出二者之间的相互作用力。比如研究一个正在滑雪的人的运动,由于滑雪人和滑杆是彼此分立的,研究者们可以比较容易地计算出二者之间的相互作用力。 但鱼和水之间的相互作用却很难计算,因为水体是连续的,很难说究竟是哪一部分对游进中的鱼儿起到了最直接的推动作用。

最近,瑞士一研究组发现通过将水体拆解成一系列独立的涡流可以研究鱼类在水中的游进运动。他们的这一技术也将受益于其他流体动力学的研究–如研究脱离于机翼的不稳定空气涡流等,该研究组的成果于6月23日发表在由美国物理联合会出版的期刊《混沌》中。

在一系列的模拟实验中,研究者们将注意力集中在离鱼身最近的水涡旋上。“我们认为这些涡旋对于鱼类在水中游进起到了关键作用。这些水流在旋转,这一事实本身就清楚地说明了鱼体和水体之间有着很强的相互作用,”该项目的带头研究者Florian Huhn这样说。

“包裹这些水涡流的是一些封闭的曲线,”Huhn说。“一旦我们搞清楚了这些曲线的边界,我们就可以研究封闭于其中的水体是如何贡献于鱼类游进机制的。”识别水体的结构将连续的水流分离成彼此独立的个体,从而能够更好的计算出水体与鱼体之间的相互作用力。

研究组对鱼类的两种游进方式做了模拟研究。第一种是平稳运动,也即常规的波浪式游进。另一种是逃脱反应(escape response)被称为C-start, 即鱼身先迅速弯成“C”的形状,然后向外翻转快速游进。

研究者们发现,对于做平稳运动的鱼类,它们的游进很大程度上来自于鱼体和分立水涡旋之间动量的交换。

而对于C-start反应,水涡旋同样可以在很大程度上解释运动机制,但“还有一类被涡旋区包围的非旋转水流区也在鱼类的游进机制中也起到了很重要的作用,”Huhn说。

Huhn认为他们的方法也将有助于流体分析。“当一个物体在流体中前行时,无论是空中的鸟还是水中的鱼亦或飞机,轮船,涡旋就会被产生,我们的方法可以被用来定位和了解这些涡旋的形成和演化,”他说。“我们的发现亦证实了拉格朗日拟序结构在将不稳定流体拆分成动态分立的不同区域方面的有效性。”