предметів
реферат
Відомо, що хутряні морські черепахи (Dermochelys coriacea) мають чудові дайвінг-здібності та високо пристосовані до пелагічного плавання. На броні вони мають п’ять поздовжніх хребтів. Незважаючи на те, що вважалося, що ці хребти можуть бути пристосуванням до управління потоком, жодне суворе дослідження не проводилось, щоб зрозуміти їх гідродинамічні завдання. Тут ми показали, що ці хребти трохи не узгоджуються із струмами навколо тіла, щоб створити вихори потоку та придушити або затримати поділ потоку на броню, що призводить до підвищення гідродинамічних характеристик під час різних моделей плавання. Отримані нами результати дозволяють припустити, що форми деяких морфологічних особливостей живих істот, таких як поздовжні хребти шкіряних черепах, можуть не спрощуватися для чудових гідро- та аеродинамічних характеристик, на відміну від нашої загальної фізичної інтуїції.
Схеми дайвінгу зі шкіряною черепахою поділяються на V-подібні занурення, U-подібні занурення та підводне плавання відповідно до форми дайвінг-профілю 3, 5, 21, 22 (див., Наприклад, додатковий малюнок S1). ). V-подібний дайвінг, який використовується для випасу худоби та транзиту, є типовим способом дайвінгу дорослої шкіряної черепахи 3, 5, 21, 22. Захоплюючі подих дайвери, такі як шкіряні черепахи, не мають органу контролю плавучості і тому відчувають негативну плавучість у глибокій воді через стиснення повітря легенів тиском води 5, 23. Ця негативна плавучість дозволяє пірнати, так що плавання вниз може бути в основному енергоефективним 5, 23. На відміну від них, вони повинні активно плавати під високими кутами нахилу (або високими кутами атаки) протягом висхідного періоду, щоб подолати негативну плавучість 5. Тому гідродинамічні показники у висхідних умовах плавання при позитивних кутах атаки можуть бути енергетично важливими для черепах.
З іншого боку, юнацькі або юнацькі шкіряні черепахи не можуть зануритися настільки глибоко, як дорослі, оскільки вони не можуть затримувати дихання надовго через низький обсяг тканини для зберігання кисню та високі показники обміну речовин, специфічні для ваги 24, 25. Молодь плаває переважно на мілководді 25. Їх схеми плавання поділяються на звичайне (повільне) плавання біля поверхні води та інтенсивне плавання (швидке та велике споживання енергії) під водою 26. Інтенсивне плавання важливо для інкубаторів, оскільки воно забезпечує засіб подолання позитивної плавучості та втечу від хижаків 26, 27. Отже, гідродинамічні характеристики під час інтенсивного плавання (плавання під великими негативними кутами наближення) також слід враховувати, щоб повністю зрозуміти завдання поздовжніх хребтів.
У цьому дослідженні ми побудували моделі панцирних шкіряних черепах з поздовжніми хребтами та без них, а також провели вимірювання сили та швидкості для дослідження гідродинамічних завдань хребтів у різних режимах плавання шкіряної черепахи. Модель панциру для експериментів на аеродинамічних тунелях була побудована на основі геометричної інформації про шкірозамінник з м'якою обробкою в Національному науковому музеї в Теджон, Корея. Щоб зрозуміти вплив хребтів на розтягуючі та підйомні сили та потік біля тіла, ми також створили модель броні без хребтів, але з однаковими фронтальними (A f) та плановою (A p) поверхнями (рис. 1) через математичні наближення геометрій (деталі наведені у методі (моделі Карапакеса) та додатковому рис. S2).
(а) Набита шкіряна черепаха, що використовується для 3D-сканування та перспективних оглядів моделей броні з (ліворуч) і без (праворуч) хребтів. (b) Характерні довжини та площі моделей броні.
Повнорозмірне зображення
Ми провели серію випробувань аеродинамічної труби для вимірювання сили розтягування та підйому на моделях з хребтами та без них (див. Методи (Вимірювання зусиль) та Додатковий малюнок S4 для детальної настройки). Розглянуті числа Рейнольдса були Re = 0, 2–1, 2 × 10 6 (на основі довжини тіла l кожної моделі) з різними кутами атаки від α = −22 ° до 22 °. Ці діапазони Re і α включають умови плавання черепах та дорослих черепах (додатковий малюнок S1c). Ми також розглянули ненульові кути повороту для α = -22 ° та 18 ° та виміряли поперечні сили (додатковий малюнок S4).
На рис. 2а показано зміни коефіцієнтів тяги та ходу (Cd та CL; див. Методи (вимірювання сили) їх визначень) та відношення ходу до тяги (L/D) залежно від кутів атаки (a) та числа Рейнольдса (Re). Цей малюнок показує дві суттєві гідродинамічні проблеми хребтів. По-перше, хребти суттєво зменшують опір, а також зменшують негативний хід при негативних до майже нульових кутах атаки. Особливо при низьких числах Рейнольдса опір зменшується на 32% при α = −18 ° (рис. 2б). Під час інтенсивного плавання черепахи відводять голову вниз/хвостом вгору від знаті, під яким кут нахилу тіла становить близько -22 ° 26. При цьому великому негативному куті атаки тяга велика, а хід негативний (як показано на малюнку 2а). Наші результати дозволяють припустити, що хребти зменшують цю високу силу тяги, яка виникає, коли інкубатори різко плавають.
а) Зміни коефіцієнтів опору (C D) та ходу (C L) та коефіцієнта підйому та натягу (L/D) на моделях із (повними символами) та без (відкритими символами) гребенями залежно від моделі. кути атаки (α) та числа Рейнольдса (Re). Ось результати для трьох репрезентативних чисел Рейнольдса, а стовпчики помилок вказують на повторювану помилку вимірювання сили. (b) Варіації хребтів Cd, CL та L/D. AC D = CD з хребтами - тут визначено Cd без хребтів та AC L та AL/D. Білі крапки на цьому малюнку представляють точки, де проводились експерименти.
Повнорозмірне зображення
З іншого боку, енергійно плаваючі молоді демонструють великі регулярні рухи плавниками, що призводить до нерівномірної швидкості плавання 26. Швидкість плавання становить 0, 738–1, 714 м/с (3, 1–7, 2 ls −1) 26 при довжині тіла (l) 23, 8 см, відповідні числа Рейнольдса Re = 1, 9 –4, 4 × 10 5. При цих числах Рейнольдса і α = −22 ° поздовжні хребти зменшують тягу і збільшують хід (рис. 2б), що вказує на те, що гідродинамічні властивості хребтів все ще зберігаються під час руху ребра.
Ми провели вимірювання швидкості за допомогою DPIV для дослідження модифікацій конструкцій потоку поздовжніми хребтами. Вимірювання проводили за двох умов, a = −22 ° та Re = 2 x 105, a = 18 ° та Re = 5 × 105, які характерні для інтенсивного плавання в інкубаторіях та активного плавання дорослих на висхідному рівні (див. Методи (вимірювання потоку) ) і додаткове зображення S5 для експериментальної установки).
( a ) Контури усереднених за часом швидкостей струму (ū) та векторів швидкості в чотирьох положеннях в діапазоні (від 1 - від 4) для випадків без (верхня панель) і (нижня панель) хребтів. Суцільні чорні лінії на цьому малюнку позначають області ū = 0. Чорні області позначають ділянки, де швидкість не вимірювалася через відбиття поверхні та тіні моделі. ( b ) Контури миттєвих векторів завихрення струму та векторів швидкості у чотирьох поточних місцях (x 1 - x 4) для випадків без (лівої панелі) та (правої панелі) хребтів. ( c ) Механізм генерації струму та затримка розділення хребта.
Повнорозмірне зображення
a ) Візуалізація поверхневого масла на моделях без (верхня панель) і з (нижньою панеллю) гребенями. Червоні суцільні та пунктирні лінії вказують місця поділу потоку та місця повторного приєднання на передній частині моделі. ( b ) Контури усереднених за часом векторів швидкості потоку та векторів швидкості у двох положеннях на тильній стороні моделей без (лівої панелі) та (правої панелі) хребтів. Суцільні чорні лінії позначають місця, де усереднена за часом швидкість струму дорівнює нулю. Розділювальні лінії в ( b ) (верхня панель) будується за полями швидкості, виміряними в одинадцяти положеннях діапазону, а детальна інформація наведена на додатковому малюнку S6. ( в) Контури миттєвих векторів завихрення струму та векторів швидкості у чотирьох поточних місцях на моделях без (лівої панелі) та (правої панелі) гребенів.
Повнорозмірне зображення
Оскільки на передній частині моделі активного плавання вгору існує розділовий міхур, наявність голови черепахи може вплинути на потік над передньою поверхнею. За попередніми спостереженнями, кут нахилу голови від тіла шкіряної черепахи під час плавання 26, 37 суттєво не змінюється. Тому ми розробили інші моделі карабінів, включаючи головну частину, скануючи головку черепахи зі шкірозамінника (додаткове зображення S3) та вимірюючи сили тяги та підйому. У випадку високого кута атаки та високого стану Re, що представляє собою активне плавання дорослих вгору, хребти покращують плавучість (9,3%) та відношення плавучості до тяги (5,2%) навіть за наявності голови (див. Рисунок S7a). З іншого боку, у разі негативного кута атаки та низького стану Re, що представляє різке купання молодняку, хребти значно знижують опір (до 22%) та збільшують хід (до 23,3%) (Додаткова рис. 1). S7b). Ці результати дозволяють припустити, що наявність головної частини не змінює гідродинамічних ролей хребтів для інтенсивного та активного плавання вгору.
За наявності океанічної течії або під час обертання черепахи напрямок плавання не збігається з напрямком вільного потоку. Щоб вивчити цей ефект, ми вимірюємо сили розтягу, удар та бічні сили, змінюючи кут повороту від γ = 0 ° до 30 ° (додаткова фігура S4) для інтенсивного та активного плавання вгору, і ми представляємо їх варіації на рис. При α = −22 o та Re = 2 × 10 5 (інтенсивне плавання в інкубаторі; рис. 5а) хребти зменшують тягу і збільшують хід при γ = 0 ° до 30 °. Бічна сила швидко зростає зі збільшенням кута повороту. Хребти збільшують бічну силу більше на 30 ° при великому куті повороту, хоча при незначних кутах повороту вони її не сильно змінюють. При α = 18 o та Re = 5 x 105 (активне висхідне плавання дорослих; рис. 5b), хребти збільшують підйом і співвідношення підйому та підтягування. З іншого боку, бічна сила демонструє зовсім іншу поведінку: тобто без хребтів бічна сила стає негативною при низьких кутах повороту, а потім позитивною при великому куті повороту 30 °, тоді як вона зростає разом з хребтами зі збільшенням кута обертання. Ці результати дозволяють припустити, що якщо кут повороту не дуже великий, гідродинамічні проблеми поздовжніх хребтів з точки зору ходу, опору та їх співвідношення все ще подібні до тих, що мають нульовий кут повороту.
a ) Інтенсивне інкубаційне плавання. b ) Активне висхідне плавання дорослих.
Повнорозмірне зображення
Черепахи зі шкірозамінника мають арочну броню, тоді як інші тверді черепахи з твердою поверхнею мають відносно плоскі кола. Потік на арочній поверхні може, як правило, демонструвати більш сильний градієнт несприятливого тиску з подальшим поділом потоку 38. Тому, на відміну від інших морських черепах, черепахи можуть частіше масово відокремлювати потік на своїй броні, тому будь-який пристрій, який допомагає у затримці поділу, повинен бути кориснішим для плавання, ніж інші черепахи, які мають досить плоску броню. Крім того, на відміну від V-подібних дайвінг-черепах, інші морські черепахи (Chelonia mydas, Caretta caretta), як правило, плавають там, де вони досягають нейтральної плавучості, і тому можуть не зазнавати негативної плавучості протягом свого життя. плавання 31, 33. Тому вдосконалення підйомника за допомогою V-подібних дайвінг-хребтів може не знадобитися під час плавання інших морських черепах.
методи
Моделі панцирів
Ми створили модель панцира на основі даних тривимірної поверхні, отриманих шляхом сканування опудалої черепахи (довжина броні 1,2 м, доросла людина) в Національному науковому музеї, Теджон, Корея (додатковий малюнок S2). Згідно з попередніми спостереженнями, черепахи мають відносно вузький діапазон руху в області шиї, так що їх голова не суттєво зменшується при плаванні 26, 37. Що стосується передніх плавників, шкіряні черепахи під час синхронного процесу 39, 40 демонструють лише синхронні стулки. З цієї причини ми припустили, що рухи голови та плавників суттєво не впливали на потік поблизу броні, і тому ми усунули частини голови та кінцівок у процесі побудови моделі броні.
$ config [ads_text16] не знайдено
Модель броні була побудована таким чином, що за формою була схожа на тіло опудала черепахи. Спочатку ми виміряли профіль поздовжнього хребта посередині (z = 0) опудала черепахи та отримали рівний профіль хребта, використовуючи метод найменших квадратів на основі 8-кратних поліномів.,
де, Косий край броні знаходився на (див. додатковий малюнок S2).
Верхня поверхня кругової моделі була розділена на три частини у напрямку потоку: відп. адже, броня має три криві поверхні в косому напрямку через хребти (додаткова фігура S2b), і тому кожна поверхня була змодельована методом найменших квадратів на основі 5-кратних поліномів:
адже гладку поверхню без хребтів побудували за допомогою еліпса, що відповідає формі тіла опудала черепахи:
для форми поверхні броні з гладкої поверхні криволінійної поверхні було створено зважувальний коефіцієнт між цими двома поверхнями:
Тут його вперше отримали для використання рівняння. (2), а потім отримані з a,
Нижня поверхня опудала черепахи була змодельована за допомогою еліпса:
Як ми бачимо в цій роботі, ми спостерігаємо, що в передній частині броневої поверхні в режимі активного виходу плавання (рис. 4) є розділовий міхур. Тому ми зробили ще один набір моделей карабінів, включаючи головну частину, просканувавши головку черепахи зі шкірозамінника (додаткове зображення S3), щоб з’ясувати, як головка впливає на потік через броню.
Довжина моделі броні (л) становила 400 мм, що становило 1/3 суглоба фаршированої броні черепахи. Ми також створили модель хребта без хребта (наприклад, модель з гладкою поверхнею) для порівняння, щоб передня (A f) і поверхня (A p) поверхні були такими ж, як у моделі хребта. Під час нашого аналізу ми також припустили, що щенята та дорослі особини геометрично схожі 41. Тому ми використовували однакові моделі кіл для дослідження гідродинамічних проблем хребтів для різних режимів плавання як для молодих, так і для дорослих, хоча нинішні моделі броні були створені на основі геометричної інформації дорослої черепахи.
Вимірювання сили
За наявності океанічної течії або під час обертання черепахи напрямок плавання не збігається з напрямком вільного потоку. Цей ефект досліджували з урахуванням кутового кута (γ), як показано на фіг. Для ненульового γ ми вимірювали бічні сили на додаток до тягових та підйомних сил.
Вимірювання поля потоку
Детальніше
Як цитувати цю статтю: Bang, K. та ін. Гідродинамічна роль поздовжніх спинних хребтів у плаванні шкірястої черепахи. Наук. Респ . 6, 34283; doi: 10.1038/srep34283 (2016).