Simning och flygande djur är optimalt anpassade för kryssning genom sina miljöer, producerar dragkraft via framdrivningsmedel - vingar för fåglar och stjärtfenor för fisk. Under miljoner år, morfologin hos dessa djur utvecklades för maximalt effektiv kryssning, och för ungefär 30 år sedan, forskare föreslog att de flesta simmare kryssar inom ett smalt intervall av Strouhal -nummer - det här är måttlösa siffror som beskriver oscillerande flöde. Och på senare tid, forskare bestämde att flygande djur kryssar i samma intervall av Strouhal -nummer.

Specifikt, för simning och flygande djur, Strouhal -numret definieras som St =f / U*A, där f är oscillationsfrekvensen, U är flödeshastigheten, och A är oscillationsamplituden. Och det smala utbudet av Strouhal -nummer där simning och flygande djur kryssar är 0,2

OK. Så varför är detta smala antal nummer det mest effektiva? Daniel Floryan, Tyler Van Buren och Alexander J. Smits, mekaniska ingenjörer vid Princeton University, genomförde en studie om effektiviteten av simning och flygande djur för att svara på den frågan.

De använde en experimentell inställning härledd från tidigare studier, som bestod av en flygplan i en vattentunnel. Flygplanet gjorde biologiskt relevanta höjnings- och pitchrörelser som mättes med kodare. Forskarna utförde experiment över alla möjliga kombinationer av kinetiska parametrar och analyserade de resulterande data matematiskt.

Eftersom drag aldrig kan elimineras helt, perfekt effektivitet är inte möjlig. Men de djur som valts ut som de starkaste har utvecklats till ett smalt utbud av mycket effektiva parametrar.
Ett simdjur med konstant hastighet skapar dragkraft med sin kaudalfena, och upplever drag som produceras av två källor:dess kropp, och den "förskjutna" dragningen som orsakas av framdrivningsfrontens område som projiceras över dess rörelseomfång.

För flygande djur, fysiken är något annorlunda eftersom deras framdrivare behöver motstå gravitationen utöver att ge dragkraft. Dock, behovet av att producera lyft påverkar inte fysiken för framdrivning och drag när djuret har en jämn marschfart.

I tidigare studier har forskare föreslog att stora amplitudrörelser ställde in Strouhal-talet för effektiv kryssning. Författarna till den aktuella studien hävdar att amplituden sätter den totala effektiviteten utan att diktera det optimala Strouhal -talet. Istället, författarna skriver, "offsetmotståndet är avgörande för att bestämma det låga Strouhal -beteendet och ställa in den speciella Strouhal vid vilken högsta effektivitet uppstår."

Drag visar sig vara nyckeln. Baserat på deras analys, forskarna drar slutsatsen att intervallet av Strouhal -nummer som definierar mycket effektiv kryssning för simning och flygande djur i stor utsträckning bestäms av vätskemotståndet på fenor och vingar. "Med andra ord, "konstaterar författarna, "energiska överväganden sätter framdrivarens kinematik till den mest effektiva, och drivkraften för drivmotorn vid högsta effektivitet balanserar kroppens drag för att ställa in marschfarten. "

© 2018 Phys.org