ジェンツーペンギンがどのようにして水中を速く泳げるのかの物理学 – Ars Technica

ジェンツーペンギン 彼らは世界で最も速く泳ぐ鳥であり、水中での最大速度は時速 36 km (時速約 22 マイル) に達します。 これは、彼らの翼が水の中を移動するのに最適な足ひれに進化したためです（ただし、空を飛ぶにはほとんど役に立ちません）。 物理学者たちは現在、ペンギンの翼の流体力学の計算モデリングを使用して、翼が水中で生み出す力と流れについてのさらなる洞察を獲得しています。 研究者らは、ペンギンが泳いでいる間に羽の角度を変える能力が推進力を生み出す最も重要な変数であると結論付けた。 最後の紙 Journal of Fluid Physics に掲載されました。

「泳ぐペンギンの発進・制動、加速・減速、素早く方向転換する優れた能力は、自由に振る翼のおかげです。」 共著者プラサート・プラパモントン氏はこう語った。 タイのバンコクにあるキングモンクット・ラートクラバン工科大学出身。 「ペンギンは水中で推進して操縦し、陸上ではバランスを保つことができます。私たちの研究チームは、人類にとって有益となるであろう自然界の進化した生物に常に興味を持っています。」

科学者は常に水生動物の研究に興味を持ってきました。 このような研究は、航空機やヘリコプターの抵抗を軽減する新しい設計につながる可能性があります。 あるいは、水中環境の探索や監視をより効率的に行う、生物由来のロボットの構築にも役立つ可能性があります。 ロボクリル、脚の動きを模倣するように設計された 3D プリントされた小型の片足ロボット オキアミ そのため、水中環境でもスムーズに移動できます。

水生種は、水中を移動する効率を向上させるためにさまざまな方法で進化してきました。 たとえば、アオザメは時速 70 ～ 80 マイルの速度で泳ぐことができるため、「海のヒョウ」というあだ名が付けられています。 2019年、科学者らは、アオザメがどのようにして素早く移動できるかについての主な要因は、その皮膚の独特な構造であることを示した。 大きさは約0.2ミリメートルの小さな透明な鱗があり、 「歯」と呼ばれる 体全体、特に翼とヒレに集中しています。 これらの領域の鱗は、鼻などの他の領域に比べてより柔軟です。

これは、アオザメが泳いでいるときに受けるストレスの程度に大きな影響を与えます。 引っ張り圧力が原因です 流れの分離 飛行機や水中を移動するアオザメの体のような物体の周り。 これは、体液が体の表面から流れ出し、体の動きを妨げる渦や渦を形成するときに起こることです。 歯はサメの体から 40 度以上の角度でサメの皮膚に折り畳むことができますが、それは流れに逆らう方向 (つまり尾から鼻へ) に限られます。 これは、ゴルフ ボールのディンプルと同様に、流れの剥離の程度を制御します。 点描、またはアオザメの場合の鱗は、体の周りの拘束された流れを維持するのに役立ち、警告のサイズを減らします。

スワンプグラスシュリンプは、脚の剛性と表面積の増加により、前方への推進力が増加します。 また、2 つの抗力低減メカニズムも備えています。脚は回復ストローク中に 2 倍の柔軟性を持ち、より強く曲がります。その結果、水との直接的な相互作用が少なくなり、後流 (渦が小さくなる) が少なくなります。 また、3 つの脚が別々に動くのではなく、基本的に 1 つの脚として動くため、抵抗が大幅に軽減されます。

また、ペンギンの生体力学、運動学、足ひれの形状などの要因を調査する多くの研究も行われています。 プラバモントン 他。 彼は特に、翼の羽ばたきがどのように前方推力を生成するかという流体力学を詳しく掘り下げたいと考えていました。 著者らによると、水生動物は通常、水中で推力を生成するために 2 つの基本的なメカニズムを使用します。 1 つはボートのような抗力ベースのもので、低速での移動に適しています。 高速化するには、推力の生成においてより効率的であることがわかっている浮上フラッターベースの機構を使用します。

あるレベルでは、ペンギンの翼は本質的には飛行機の羽のような翼で、足ひれやパドルのように短くて平べったいだけで、短くてふさふさした羽が空気を閉じ込めて摩擦や乱流を減らすのに役立ちます。 ペンギンは、水泳姿勢やピッチや羽ばたきを調整する必要があるときに、翼 (活動翼) の角度を変更して抵抗を減らすこともできます。 著者らによると、実際、ペンギンの翼は幾何学的に非常に複雑だという。 リーディング (前) エッジとトレーリング (後) エッジの間の距離が遠ざかるにつれて増加する内部部分があります。 根; 先端が翼端と翼端の間の空間とほぼ平行である中央部分。 そして翼の後縁が凹面になっている外側の部分です。

研究チームは、横から見た二次元の動きの分析と組み合わせて、泳いでいるペンギンの映像を研究しました。 このデータは、翼のフラップや羽の振幅、周波数、方向、流体媒体の速度や粘度などの変数を組み込んだ、翼の周りの複雑な力と流れをシミュレートする流体力学モデルを構築するのに役立ちました。 彼らは翼の動きをモデル化するために推力速度と前進速度の比を使用し、「推力角」と呼ばれる新しい変数を追加しました。これは基本的に迎角と前方方向に対する翼の角度によって決まります。

プラバモントン 他。 ペンギンは泳ぐ際に揚力を利用した推進機構を利用していると結論づけた。 さらに、羽の動きは本質的に、ペンギンが水中でそのような強力な前方への推進力を生み出す方法です。 グラデーション時の最適な振幅が最大の推力を生み出します。 ペンギンは明らかにスイートスポットを見つける専門家です。

ただし、静電容量が大きすぎると負のインパルスが発生します。 翼が羽ばたくと、渦が発生します。 リーディングエッジスパイラル (LEV) パビリオンの屋上にはプラパモントンがあります 他。 揚力と推力の両方を生成するのに重要な役割を果たすことがわかっています。 「例えば、下部ストロークでは、ベーン角度を導入すると、上部デッキ（吸入側）の局所排気換気の強さが弱まり、揚力が減少します」と著者らは書いている。 「しかし、過度のフェザリング角度により、下面が吸気側に移動し、その結果、根元近くの局所排気換気レベルが低下します。このシフトにより、ベーンの過度の拡大によって引き起こされる負の推力が説明される可能性があります。」

DOI: 流体の物理学、2023 年。 10.1063 / 5.0147776 （DOIについて）。