Med sina sammanpressade kroppar och flexibla bröstfenor, stingrockor utvecklades till att vara bland naturens mest effektiva simmare. Forskare har länge undrat över vilken roll deras utstående ögon och mun spelar, som man kan förvänta sig vara hydrodynamiska nackdelar.

I Vätskors fysik , Kinesiska och sydkoreanska forskare beskriver hur sådana egenskaper på simulerade stingrockor påverkar en rad krafter som är involverade i framdrivningen, som tryck och virvel. Trots vad man kan förvänta sig, gruppen hittade dessa utstickande egenskaper för att hjälpa till att effektivisera stingrockor ytterligare.

"Inverkan av 3D-utskjutande ögon och mun på en självgående flexibel stingrocka och dess underliggande hydrodynamiska mekanism är ännu inte helt förstått, " sa författaren Hyung Jin Sung, från Korea Advanced Institute of Science and Technology. "I denna studie, den hydrodynamiska fördelen med utstående ögon och mun utforskades för första gången, avslöjar den hydrodynamiska rollen av utstående ögon och mun."

För att illustrera det komplexa samspelet mellan hydrodynamiska krafter, forskarna började arbeta med att skapa en datormodell av en självgående flexibel platta. De "klämde fast" den främre delen av modellen och tvingade den sedan att efterlikna de upp-och-ned harmoniska svängningar som stingrockor använder för att driva sig själva.

För att återskapa effekten av ögon och mun på det omgivande vattnet, teamet simulerade flera stela plattor på modellen. De jämförde denna modell med en utan ögon och mun med en teknik som kallas penalty immersed boundary-metoden.

"Att hantera slumpmässiga fiskar som simmar och isolera det önskade syftet med mätningen från många faktorer är svårt, " sa Sung. "För att övervinna dessa begränsningar, metoden med penalty immersed boundary användes för att hitta de hydrodynamiska fördelarna med de utskjutande ögonen och munnen."

Gruppen upptäckte att ögonen och munnen genererade en virvel av flöde i framåt-bakåt, vilket ökade undertrycket vid det simulerade djurets front, och en sida-till-sida virvel som ökade tryckskillnaden mellan ovan och under stingrocken. Resultatet blev ökad dragkraft och accelererad cruising.

Ytterligare analys visade att ögon och mun ökade den totala framdrivningseffektiviteten med mer än 20,5 % och 10,6 %, respektive.

Sung och hans team hoppas på deras arbete, driven av nyfikenhet, ytterligare väcker intresset för att utforska flytande fenomen i naturen. De letar efter att hitta sätt att anpassa detta för nästa generations vattenfordondesigner som är mer baserade på marina djur.