Физики изучили гидродинамику тюленьих усов. Изгиб вибриссы привел к образованию дорожек Кармана

Физики смоделировали поведение тюленьего уса в воде и выяснили, что из-за изгиба вибриссы на ней образуются вихревые дорожки Кармана, которые увеличивают самоиндуцированный шум и снижают потенциальную сенсорную точность. Авторы статьи, опубликованной в Physics of Fluids, отмечают, результаты пригодятся при создании гидродинамических датчиков подводных аппаратов.

Обыкновенный тюлень (Phoca vitulina), как и многие его родственники, использует вибриссы для того, чтобы находить и преследовать добычу по малейшим гидродинамическим следам, которые оставляют движущиеся объекты в воде. Эксперименты показали, что даже при заблокированном зрении и слухе тюлени способны длительное время двигаться в сторону уходящей цели, а также различать несколько целей между собой. Все дело в уникальной геометрии вибрисс: как предполагают физики, эллиптическое поперечное сечение и волнистая поверхность нарушают когерентность вихревых потоков и подавляет их колебания, повышая сенсорную точность.

Однако почти во всех проведенных ранее исследованиях было одно важное упрощение: тюленьи вибриссы считались строго прямолинейными по направлению и зачастую предполагали бесконечную длину с повторяющейся волнообразной структурой вдоль всей оси. При этом реальные вибриссы показали отклонение кончика примерно на трети своей полной длины, а также кубический профиль изгиба. С точки зрения гидродинамики, такое отличие модели от реального объекта должно повлечь за собой существенную разницу в наблюдаемых результатах.

Сюэ Цянь (Qian Xue) из Рочестерского технологического института совместно с коллегами из США исследовал гидродинамическое поведение модели изогнутой вибриссы конечной длины, одновременно учтя периодичность поверхности, движение свободного конца усика и его изогнутость. Для этого физики использовали трехмерную модель тюленьего уса, который представили в виде волнистого эллиптического цилиндра с разницей фаз в 180 градусов между большой и малой осями поперечного сечения. Хотя такой прототип лучше описал реальную вибриссу, авторы работы отметили, что все-таки сделали несколько упрощающих предположений: например, ученые пренебрегли сужением по длине, а также разностью фаз между ростральным и каудальным направлениями.

Чтобы смоделировать движение вибриссы в потоке жидкости, физики составили систему уравнений Навье — Стокса, положив объемную силу равной нулю и приняв параметры жидкости такими же, как у воды при 20 градусах Цельсия. Затем исследователи численно решили полученные уравнения, использовав неравномерную декартову сетку с общим числом ячеек в 15,14 миллиона. При этом изгиб вибриссы ученые меняли в диапазоне 0-30 процентов от общей длины с шагом в 5 процентов, а число Рейнольдса приняли равным 300 единиц, что соответствовало типичному размеру усов и скорости плавания тюленей.

В результате физики заметили, что при увеличении изгиба среднеквадратичное значение коэффициента подъемной силы также выросло. Поскольку подъемная сила в то же время представляет собой внешнюю силу для осцилляций уса, ее рост повысил самоиндуцированный шум в колебательной системе. А сами периодические отклонения подъемной силы физики объяснили тем, что в диапазоне изгиба 15-25 процентов длины шпилькообразные вихри сменились дорожками Кармана в искривленной области. Последний феномен в свою очередь стал следствием следующего факта: в области изгиба нарушилась поочередная последовательность положительной и отрицательной продольной завихренности вокруг выступов на поверхности усов – основного критерия существования шпилькообразных вихрей.

Результаты физиков оказались не только более полными по сравнению с предыдущими исследованиями, но и, как отметили авторы работы, существенно продвинут создание гидродинамических сенсоров для подводных аппаратов в будущем. А введение новых параметров в предложенную модель (например, упругости уса и его анатомической ориентации) должно существенно повысить ее точность.

Ученые не в первый раз попытались описать животное или его часть с помощью физических моделей: мы рассказывали ранее, как физик объяснил живучесть кошек при падении из окна.

Источник