Kredit:University of Tsukuba
En forskargrupp ledd av University of Tsukuba skapade den mest kompletta inspelningen hittills av en människa som simmar under vattnet som en ål eller lamprä. Med hjälp av utrustning för rörelsefångning och partikelhastighetsmonitorer, forskarna kunde studera denna "vågformiga" undervattensframdrivning och de närliggande vattenflödena den skapade. De fann att jetstrålar som produceras av koalescerande virvlar hjälper till att förklara effektiviteten av denna simmetod, som kan tillämpas på nya framdrivningssystem.
Om du tittar på ett olympiskt simevenemang, du kan bli förvånad över att se atleterna vrida sig som ålar när de startar loppet eller precis efter att ha vänt. Oavsett vilken typ av simslag som används under resten av varvet, dessa konkurrenter har upptäckt att denna böljande rörelse är det bästa sättet att accelerera snabbt. Dock, det var inte tidigare känt varför så är fallet, och en bättre förståelse för undervattensframdrivning kan leda till effektivare ubåtar och fartyg. För denna forskning, en simmare på nationell nivå registrerades när han simmade i en vattenränna med 18 LED-markörer på sig. Strömmar av mikrobubblor användes som spårämnen för 3D-vattenhastighetsfälten. Detta gjorde det möjligt för forskarna att bättre förstå källan till simmarens dragkraft medan den böljade under vattnet.
"Framdrivning genom en vätska, vare sig luft eller vatten, förlitar sig vanligtvis på principen om bevarande av momentum, " förklarar författaren Hirofumi Shimojo. "T.ex. trycker du vatten bakåt med händerna eller fötterna när du simmar i havet kommer du att gå framåt. Liknande, en jetmotor kan zooma genom himlen genom att trycka en luftström bakåt ur motorerna."
Forskarna såg att simmarens spark nedåt skapade framkantsvirvlar som rörde sig från framsidan till baksidan av hans fötter. Efter att dessa virvlar tappats från simmarens kropp, de kombinerades till ett "virvelvake, " vilket ledde till en vattenstråle som drev honom framåt.
"Vårt arbete visar vikten av att visualisera de komplexa vattenflödena för att förstå ursprunget till framdrivningseffektivitet. I det här fallet, simmaren får kraft från sin nedåtgående spark på grund av virvlarna och jetflödet i hans kölvatten, " säger seniorförfattaren Hideki Takagi.
Dessa fynd kan potentiellt ge insikt bortom mänsklig rörelse. Lägger till Shimojo, "Det här arbetet kan hjälpa oss att förstå de vak som skapas av andra former av undervattensframdrivning, inklusive de som driver båtar och ubåtar."