巴布亚企鹅如何在水下游得如此之快的物理原理 – Ars Technica

巴布亚企鹅 它们是世界上游泳速度最快的鸟类，水下最高奔跑速度可达 36 公里/小时（约 22 英里/小时）。 这是因为它们的翅膀已经进化成鳍状肢，非常适合在水中移动（尽管对于在空中飞行基本上没有用）。 物理学家现在已经使用企鹅翅膀的流体动力学计算模型来进一步了解这些翅膀在水下产生的力和流动。 他们得出的结论是，企鹅在游泳时改变翅膀角度的能力是产生推力的最重要变量。 最后一张纸 发表在《流体物理学杂志》上。

“游泳企鹅具有出色的启动/制动、加速/减速和快速转向的能力，这要归功于它们自由挥舞的翅膀。” 合著者 Prasert Prapamonthon 说道 来自泰国曼谷Mongkut Ladkrabang 理工学院。 “它们使企鹅能够在水中推进和机动，并在陆地上保持平衡。我们的研究团队一直对自然界中进化出的对人类有益的生物感到好奇。”

科学家们一直对研究水生动物很感兴趣。 此类研究可能会带来减少飞机或直升机阻力的新设计。 或者它可以帮助构建仿生机器人，更有效地探索和监控水下环境，例如 罗博克里尔，一种小型单足 3D 打印机器人，旨在模仿腿部的运动 磷虾 因此您可以在水下环境中平稳移动。

水生物种以各种方式进化，以提高在水中航行的效率。 例如，灰鲭鲨可以以每小时 70 至 80 英里的速度游泳，这为它们赢得了“海洋豹子”的绰号。 2019 年，科学家表明，鲭鲨能够如此快速地移动的一个主要因素是其皮肤的独特结构。 它们有小而透明的鳞片，大小约为0.2毫米， 称为“牙齿” 遍布全身，尤其集中在翅膀和鳍上。 与鼻子等其他区域相比，这些区域的鳞片更加灵活。

这对灰鲭鲨在游泳时承受的压力程度有着深远的影响。 这是由拉压力引起的 流动分离 围绕某个物体，例如飞机或在水中移动的灰鲭鲨的身体。 这就是当流体从身体表面流走，形成阻碍身体运动的漩涡和漩涡时发生的情况。 牙齿可以与身体成 40 度以上的角度折叠到鲨鱼的皮肤中，但只能沿着逆流的方向（即从尾巴到鼻子）。 这控制了流动分离的程度，类似于高尔夫球上的凹痕。 点画，或者灰鲭鲨的鳞片，有助于维持身体周围的束缚流动，从而减少警报范围。

沼泽草虾由于腿部的硬度和表面积的增加而增加了向前的推进力。 它们还具有两种减阻机制：腿部在恢复行程期间的灵活性增加了一倍，并且弯曲得更强烈，从而减少与水的直接相互作用和更少的尾流（更小的漩涡）； 而且它们的腿基本上是一体移动，而不是三条腿单独移动，这大大减少了阻力。

还有许多研究考察了企鹅的生物力学、运动学和鳍状肢形状等因素。 普拉巴蒙通 等人。 他特别想深入研究扑翼如何产生向前推力的流体动力学。 这组作者说，水生动物通常使用两种基本机制在水中产生推力。 一种是基于阻力的，例如划船，非常适合低速移动。 为了获得更高的速度，它们使用基于悬浮颤振的机制，该机制已被证明可以更有效地产生推力。

在某种程度上，企鹅的翅膀本质上是飞机的羽毛翅膀，只是像鳍状肢或桨一样更短更平坦，具有短而浓密的羽毛，有助于捕获空气以减少摩擦和湍流。 当企鹅需要调整游泳姿势以及俯仰和扑动时，它们还可以改变翅膀（活跃的翅膀羽毛）的角度来减少阻力。 事实上，据作者称，企鹅的翅膀在几何形状上相当复杂。 有一个内部部分，其中前缘（前）边缘和后缘（后）边缘之间的距离从远处增加 根; 中段，其中尖端大致平行于翼尖与翼尖之间的空间； 以及外部，机翼后缘是凹形的。

研究小组研究了企鹅游泳的影片，并结合侧面的二维运动分析。 这些数据帮助他们建立了一个流体动力学模型来模拟机翼周围的复杂力和流动，其中包含了机翼襟翼和羽毛的幅度、频率和方向以及流体介质的速度和粘度等变量。 他们使用推力速度与前进速度的比率来模拟机翼运动，并添加了一个新的变量，称为“推力角”，该变量基本上由迎角和机翼相对于前进方向的角度决定。

普拉巴蒙通 等人。 结论是企鹅在游泳时使用基于升力的推进机制。 此外，羽毛的运动本质上是企鹅在水中产生如此强大的向前推力的方式。 渐变过程中的最佳振幅会产生最大的推力。 企鹅显然是寻找最佳位置的专家。

但如果电容太大，就会产生负脉冲。 当翅膀扇动时，它们会产生漩涡，最显着的是 前缘螺旋 (LEV) 展馆的屋顶上有一座 Prapamonthon 等人。 人们发现它在产生升力和推力方面发挥着重要作用。 “例如，在下冲程中，引入叶片角度会削弱上甲板（吸力侧）局部排气通风的强度并减少升力，”作者写道。 “然而，过大的顺桨角会将下表面转移到吸力侧，导致根部附近的局部排气通风水平较低。这种转移可以解释由于叶片过度加宽而引起的负推力。”

DOI：流体物理学，2023。 10.1063 / 5.0147776 （关于 DOI）。