Vi vet äntligen hur fiskar simmar så fort

När det kommer till simning, visar fiskar en enkel grace och kraft som människor bara kan drömma om. Medan de snabbaste fiskarna simmar i upp till 70 miles per timme, har ingen människa någonsin klarat ens 4 mph i vatten. Även de snabbaste ubåtarna har en topphastighet på endast 50 mph.

Exakt hur fiskar klarar av denna bedrift är något mysterium. Fysiker, biologer och ingenjörer har länge undrat över den karakteristiska vågrörelsen och de hydrodynamiska krafter den genererar. De har faktiskt två teorier om hydrodynamisk framdrivning för att förklara det, även om de härstammar från 1950- och 60-talen. Men ingen har räknat ut vad som är korrekt.

Idag förändras det tack vare Tingyu Mings arbete vid Beijing Computational Science Research Center i Kina och olika kollegor. Dessa killar har modellerat fiskens framdrivning på en superdator och kalibrerat resultaten med hjälp av detaljerade mätningar av rörelsen hos riktiga fiskar. Deras modell förklarar för första gången hur fiskar genererar dragkraft och till och med varför vissa anatomiska strukturer, som senor, är så viktiga.

Först lite bakgrund. I fiskens karakteristiska böljande simrörelse drar musklerna samman sekventiellt längs kroppen för att generera en bakåtgående våg av kroppsböjning. Detta trycker mot vattnet och producerar dragkraft.

Men exakt hur denna dragkraft uppstår är något av ett pussel. 1952 övervägde den brittiske fysikern Geoffrey Taylor interaktionen mellan varje segment av en fisks kropp och vatten. Hans idé var att varje segment genererar drag, ett motstånd mot rörelse. När segmentet böljar är motståndet större i en vinkelrät riktning mot kroppen än parallellt med den. Resultatet är dragkraft i parallell riktning, eller framåt. Denna idé är känd som resistiv kraftteori.

Men 1960 lade en brittisk matematiker, James Lighthill, fram en annan idé där den dominerande effekten är vattnets tröghet. Detta gör att en platt platta kan generera dragkraft genom att våga med en liten amplitud. Detta är känt som förlängd kroppsteori.

Den viktigaste skillnaden mellan dessa teorier är den typ av kraft som genereras. För Taylor är det resistiv kraft, som verkar i motsatt riktning mot en kropps rörelse men är i fas med den hastigheten. För Lighthill är det reaktiv kraft, som verkar i motsatt riktning mot en aktionskraft och är i fas med accelerationen.

Det kan tyckas vara en subtil skillnad, men det är nyckeln till att förstå fiskens framdrivning och att reproducera den på konstgjord väg. Det är därför det är viktigt att veta vilken teori man ska använda.

För att ta reda på det skapade Tingyu och co en 3D-beräkningsmodell för vätskedynamik av två typer av fiskar: anguilliforma simmare som ål och karangiforma simmare som makrill. Den största skillnaden är att anguilliforma böljar hela sin kropp, medan endast den bakre halvan av karangiforma kroppar böjer sig avsevärt.

Teamet använde riktiga studier av fiskrörelser för att kalibrera sina modeller och beräknade sedan kraften, vridmomentet och kraften som genererades av varje typ av kroppsform.

Resultaten ger intressant läsning. Det visar sig att båda teorierna är korrekta men för olika kroppsformer och även för olika delar av dessa kroppar.

Till exempel, för både simmare av makrilltyp och simmare av åltyp, är motståndskrafterna viktigare i mittdelen av kroppen, som är relativt jämn och enhetlig. Men reaktiva krafter spelar en mycket större roll nära svansen på simmare av makrilltyp.

Elasticitet spelar också en viktig roll. Ingen har kunnat mäta elasticiteten hos fiskkroppar när de simmar, men konsensus är att elasticiteten måste hjälpa till att lagra energi och förbättra simningens effektivitet.

Tingyu och cos modell ger en viss insikt även här, genom att visa hur elasticiteten varierar med kraften och kraften som genereras av kroppen. Forskarna visar hur ål och makrill måste bli elastiska på olika ställen i kroppen och på olika ställen under varje böljande cykel. Denna observation överensstämmer med resultaten av tidigare studier att lämplig elasticitet kan spara och återställa energi för att förbättra effektiviteten, säger de.

Det väcker frågan om hur denna energiöverföring sker genom fiskkroppar. En av de förbryllande anatomiska egenskaperna hos simmare av makrilltyp är att de har senor som sträcker sig längs kroppen mot svansarna. Om varje kota fungerade som en oberoende enhet, som Taylors teori antyder, skulle denna typ av sena inte vara nödvändig.

Men i den nya modellen utvecklad av Tingyu och co är det precis vad som behövs. Vi antar att dessa långa senor används för att överföra energi, säger de.

Det är intressant arbete, och inte bara för att det ger en detaljerad inblick i en av de vanligaste formerna av framdrivning i naturen. Det visar sig att fiskens framdrivning är mycket mer komplex än man ursprungligen trodde, och förmodligen lika svår att reproducera på konstgjord väg.

Men Tingyu och cos arbete erbjuder en väg framåt för bioingenjörer som hoppas kunna reproducera fiskens framdrivning i konstgjorda anordningar. Det kan en dag hjälpa ubåtar att resa snabbare också. Människor har mycket att hinna med!

Ref: arxiv.org/abs/1812.02410 : Hur fiskkraftssimmar: en 3D-studie av beräkningsvätskedynamik

Dölj