Начальная

Windows Commander

Far
WinNavigator
Frigate
Norton Commander
WinNC
Dos Navigator
Servant Salamander
Turbo Browser

Winamp, Skins, Plugins
Необходимые Утилиты
Текстовые редакторы
Юмор

File managers and best utilites

Академия плавания "Плавать просто". Плавание рыб


Плавать как рыба — полезная методика для пловцов?

ВведениеВ августе 1998 года мы разместили статью австралийского научного журналиста Даниила Дроллетта, опубликованную в британском журнале Science: [«Плавать как рыба», см. ниже]. Десять лет спустя, мы считаем, что статья по-прежнему актуальна.

Даниил Дроллетт старается ответить на актуальный вопрос, существует ли другой путь, ведущий к быстрому плаванию, кроме как просто увеличение вашего километража для улучшения продвижения. Турецкий, Попов и многие другие великие пловцы показали, что это возможно путем снижения сопротивления. Некоторые называют этот вид плавания «плыть подобно рыбе», потому что рыбы, в частности, шустрые создания, оптимизировали сопротивление и тягу. Пловцы должны выяснить, как они могут уменьшить торможение, чтобы выработать максимально эффективное продвижение вперед.

Сначала, принцип «плавать как рыба» или «рыбоподобное плавание» кажется убедительным. Тем не менее, мы однозначно не рыбы. Если вы понимаете слоган слово в слово, то идея совершенно неверная. Мы не можем двигать своим телом и конечностями подобно рыбе. Вместо этого, этот слоган может помочь нам передвигаться в воде легко, изящно и эффективно, как это делают рыбы и морские млекопитающие.

Гидродинамические законы применяются ко всему, что движется в воде.Другая «модель», которой часто пользуются, является модель «гоночной лодки». Эти лодки длинные и узкие, это уменьшает лобовое сопротивление. Если мы применим эту модель к плаванию, то ваше тело должно держаться длинным, узким и плоским, чтобы лобовое сопротивление было постоянно минимальным. Образ гоночной лодки поможет визуализировать обтекаемое положение тела и позу в воде.

Третья тема в статье, которая будет рассмотрена Турецким ниже: частота и длина гребка.Эта тема вызвала много споров, в основном, в США. Идеи Турецкого были адаптированы Total Immersion для ведения бизнеса. Основателя Total Immersion, Терри Лафлина, упрекали в некомпетентности в спортивном плавании. 

Чтобы проиллюстрировать этот спор, мы публикуем два письма редактору «Swimming Technique», журнала по плаванию в США. В одном из изданий, Терри Лафлин опубликовал статью под заголовком «Плыть Подобно Рыбе».

Геннадий Турецкий

Александр Попов

Геннадий Турецкий о технике плавания

 

Александр Попов

Техника плавания: плавать как рыбаИсточник: New Scientist, 1. Август 1998 года, № 2145© Перевод: Феликс К. Гмюндер

Забудьте о грубой силеЕсли вы хотите плавать очень быстро, перестаньте дергаться, расслабьтесь и почувствуйте воду. Тренер олимпийской команды Геннадий Турецкий рассказал Даниилу Дроллетту, как побороть оппозицию.

Есть унижение и есть настоящее унижениеВо время плавания в местном открытом бассейн в Канберре, какой-то парень пронесся мимо меня как торпеда. Я почувствовал себя нехорошо. Меня, на самом деле качнуло в воде, когда он проплыл мимо. Но это чувство не продлилось долго, как только я узнал, что этой торпедой был Александр Попов, двукратный олимпийский обладатель золотой медали и обладатель мирового рекорда в кроле на 100 метров. На соседней дорожке поблескивала грозная бритая голова партнёра Попова по тренировкам, Майкла Клима, который плыл 100 метров баттерфляем за самое короткое время. Я невольно забрался в ту часть бассейна, где иногда тренируются эти элитные спортсмены для смены обстановки, от закрытого бассейна в рядом стоящем Австралийском институте спорта.

Попов, казалось, легко скользит в воде, локоть, согнутый и направленный вверх в классическом положении кроля, длинные руки врезаются в воду впереди с элегантной лёгкости. В отличии от него, Клим обрушивал свои руки впереди, четко прямые, как только они показывались из воды, в его стиле кроля «ветряная мельница». Стиль каждого из мужчин уникален, но оба — мировые лидеры. И оба являются продуктами неординарных идей одного и того же тренера, Геннадия Турецкого.

Турецкий, яркий, а иногда и противоречивый персонаж, изучает движение рыб и пишет физические уравнения на доске в своем офисе возле бассейна, чтобы объяснить принципы гидродинамики. Его бренд научно обоснованной тренировки многое сделал для продвижения идеи, что не грубая сила главное, что делает пловцов чемпионами, а эффективность. Клима и Попова учили вести себя как рыба в воде, чтобы «чувствовать» воду и скользить в ней.Сейчас, натурализованный австралиец, Турецкий — продукт старой советской системы, где целых восемь учёных наблюдали бы за выступлением национальной сборной. Он — бывший чемпион по плаванию, имеет степени в области разработки и тренировки в биомеханике, биохимии, механике жидкости и спортивной физиологии. Он известен использованием необычного реквизита для донесения свои идеи до других: однажды он принес в бассейн надутый презерватив, чтобы показать его коллегам-тренерам важность сохранения жесткого корпуса во время работы ног. Когда из презерватива выпустили воздух, он вяло болтался в воде; когда надули, он заскользил по поверхности от одного легкого толчка.

Пловцы Турецкого молятся на него. Например, это была идея Турецкого, чтобы Клим перешел на стиль мельницы. «Я прямо побил личные рекорды с тех пор, как он заставил меня внести это изменение», сказал мне позже Клим. Попов — еще больший энтузиаст: «Он — причина, почему я уехал из России.» У Попова и Клима в Австралии статус поп-звезд, в то же время журналы и газеты называют Турецкого человеком, который изменил топ-эшелон плавания в Австралии. Но среди всей этой шумихи остается вопрос: как Турецкий и его пловцы это делают?

Ответы, говорит Турецкий, размеренно шагая по бортику бассейна, находятся частично в генетике и частично в технике. Элитные пловцы, как правило, рождаются с определенными преимуществами, такими как сверхэффективный метаболизм. У некоторых пловцов-стайеров, например, сердечно-сосудистая система способна доставлять в два раза больше кислорода к голодающим мышечным клеткам, чем у молодого человека средней подготовки, давая тем самым им преимущество даже при входе в бассейн.

Олимпийские пловцы также имеют тенденцию быть высокими с длинными конечностями. На суше оба пловца Турецкого такие же длинные и долговязые, как и баскетболисты. Рост у Клима 1,91 метров (6 футов 3 дюйма), в то время как Попов при росте 1,97 м (6 футов 6 дюймов) может касаться дна глубокой стороны бассейна Канберры и все еще держать голову над водой. Эта пара создана для плавания. Или как сказал им Турецкий: «У вас есть что-то, данное вам Богом. Вы должны развить это.» Вполне справедливо. Но как?

Есть два способа плыть быстрее, говорит Турецкий: увеличить силу, которую пловцы прилагают, чтобы продвинуть себя в воде, или же уменьшить сопротивление воды. Оба подхода берут свое начало в технике, но он думает, что второй подход, несомненно, лучший.Чтобы продвинуть себя через воду быстрее, вы могли бы, например, увеличить частоту вашего гребка. Но здесь есть проблема, говорит Турецкий. Вы скоро выдохнитесь. Он цитирует отрывок из своей любимой книги, «Плавание рыб» зоолога Джона Виделера из университета Гронингена в Нидерландах, в котором говорится, что потребление энергии в воде увеличивается как куб частоты гребка. Иными словами, удвоение скорости, с которой вы перемещаете руки в воде, требует в восемь раз больше энергии.

Более того, увеличение частоты гребков неизбежно означает укорачивание их длины, что противоречит тому, как ведут себя большинство животных. Когда они хотят двигаться быстрее, они увеличивают расстояние, которое покрывают при каждом движении. Турецкий показывает видеоклипы, как доказательство: лошади, отмечает Турецкий, ускоряются, увеличивая расстояние, которое они покрывают каждым шагом, не увеличивая количество шагов в секунду. Кенгуру поступают так же, прыгая на своих двух ногах. Турецкий считает, что пловцы должны делать то же, что и животные, вытягиваясь как можно дальше вперёд, чтобы получить максимально длинный захват при каждом гребке. Первая золотая медаль Попова на Олимпиаде 1992 года в Барселоне предоставила доказательства, подтверждающие этот подход. Когда он победил пловца — американца Мэтта Бионди, Попов сделал на 50 метров всего лишь 33 гребка, против 36 у Бионди.

Так что, если увеличение частоты гребка — не решение, как насчет более сильного захвата и протаскивания через воду? До 1980-х годов пловцы и их тренеры был сосредоточены на силе. Они черпали вдохновение из механических моделей, таких как пропеллеры и гребные винты. У типичного пловца были плечи, как у болгарского тяжелоатлета, и упор делался на многокилометровые тренировочные сессии, как утверждает небезызвестный тренер Сесиль Колуин, автор «Плывя в 21 столетие» (Swimming into the 21st Century). Наука о биомеханике «была неправильно сосредоточена на эмуляции действий механических винтов вместо механизмов, более похожих на естественный полёт и продвижение рыб», писала она.

Турецкий согласен с Колвином, по причинам, в основе которых лежит физика. Гидродинамика говорит нам, что сопротивление зависит от формы и трения. Например, дельфины плавают так быстро потому что у них обтекаемая форма и потому, что их кожа создана, чтобы уменьшать трение, останавливая формирование поглощающих энергию вихрей вокруг их тел.

Создание волныУ людей нет ни одного из этих преимуществ. Но настоящим убийцей для пловцов — спортсменов является третий тип сопротивления, который возникает на границе между воздухом и водой — это волновое сопротивление. Движение по поверхности воды неизбежно создаёт волны. С физической точки зрения, пловцы применяют силу к массе воды перед собой, чтобы подняться вверх, сопротивляясь силе тяжести. Это не только лишает пловцов энергии, но и имеет непропорционально больший эффект, чем быстрее они плывут.

Проблема в том, что волновое сопротивление увеличивается пропорционально кубу любого увеличения скорости плавания. И всё становится еще хуже, если пловец делает рывкообразные или неравномерные движения, либо подпрыгивает в воде или колеблется из сторону в сторону, потому что это еще больше расходует энергию впустую, вызывая волны. Из-за этого Турецкий считает, что попытка увеличить скорость, продвигая себя через воду с усилием, бессмысленна за пределами определенной точки. «Больше движущей силы будет вызывать только более высокие волны, но не большую скорость», — говорит он.

Если вы не можете подчинить себе воду, убежден Турецкий, то тогда вам лучше научится избегать ее тормозящего влияния. Для начала, уменьшение трения с водой имеет важное значение. Это одна из причин, почему Клим бреет голову. Форма или очертание также являются важным фактором. Для пловцов это означает предание себе обтекаемого положения благодаря трюкам, таким как давление головы и груди вниз в воду, и перекаты из стороны в сторону с каждым гребком, чтобы сделать более узкий профиль. Чтобы избежать волновое сопротивление, Турецкий призывает пловцов убрать рывкообразность в своем гребке. (Один из других любопытных последствий волнового сопротивления является то, что оно наказывает больше пловцов невысокого роста, чем их более высоких соперников).

Для достижения техники уменьшенного сопротивления пловцы Турецкого тренируются улучшению своего баланса, локомоции и «чувству» воды. Во время тренировки упор делается на качестве исполнения больше, чем на километраж. Его идея состоит в том, что при постоянном повторении точные умелые движения становятся их второй натурой, как рефлексы.

Чтобы этот метод правильно сработал, на тренировках требуется уделить особое внимание деталям. «Если вы не можете сделать это абсолютно правильно, не делайте этого вообще,« — говорит Турецкий. Он предпочел бы, чтобы его пловцы сделали немного движений правильно, чем много движений неправильно. Турецкий и его пловцы говорят терминами «мышечной памяти».

Очень много времени тратится на правильную технику, так что по олимпийским стандартам, у Клима, Попова и остальных членов отряда Турецкого относительно неспешные тренировки, хотя они все еще плавают около 70 километров в неделю. Посторонним его методы кажутся странными. Американский тренер, Билл Ирвин, однажды сказал журналисту: «Попов выполняет длинные сеты с педантично точными гребками и с неизменно красивой плавностью. За все три недели я не увидел у него ни одного заплыва, чтобы тот выглядел напряженно».

Делайте это медленноЧасть того, что мы видели, — это метод «сверхмедленного плавания» Турецкого. Турецкий демонстрирует это, прохаживаясь по своему офису в преувеличенно замедленном темпе. Двигаясь очень медленно, он должен сосредоточиться на точном положении каждой мышцы. Баланс становится необходимым. «Люди становятся более неустойчивыми, когда двигаются очень медленно и они должны постоянно переносить свой вес, чтобы оставаться в равновесии», — говорит он. То же самое применительно и к бассейну, и когда пловцы могут двигаться плавно на очень медленной скорости, то они могут двигаться более плавно и на высокой скорости.

Сверхмедленное плавание также заставляет пловцов сосредоточиваться на вытягивании своей руки как можно дальше для получения максимальной длины на каждом гребке. И это улучшает способность пловца расслабляться на более высокой скорости. Когда вы абсолютно уверены, что ваши руки и ноги будут в нужном месте в нужное время, то во время гонки — меньше безумных движений и меньше тратится энергия. Расслабление часто упускается из виду, но великий американский пловец Джонни Вайсмюллер один раз сказал, что «самая великая тайна плавания кролем — это расслабление на максимальной скорости». (Вайсмюллера лучше всего помнят сегодня благодаря его голливудским представлениям Тарзана, но когда пришел Попов, он остался единственным пловцом, который выиграл две золотые медали на дистанции 100 метров вольным стилем на двух Олимпиадах подряд.) Турецкий уточняет: «Не все мышцы включаются одновременно. В мышцах проходят волны сокращения и расслабления одновременно.» Умение расслаблять мышцы, которые не используются, сохраняет энергию и предотвращает утомление.

Тренировка на низкой скорости также помогает пловцу отточить самое важное интуитивное «чувство» воды, чтобы предвосхищать, управлять и манипулировать её потоком. Пловцы превращаются в мистиков, когда описывают эту способность, подобно художникам, описывающим «глаз Бога» при рисовании. Для пловца «чувствовать», знаете ли, это когда вы правильно захватили воду ладонью и протащили свое тело вперед с минимальным сопротивлением.

Если сверхмедленное плавание не помогает развить это чувство, Турецкий пробует противоположный подход, используя свою буксировочный тренажер. Он тянет пловцов через воду на высокой скорости, таким образом, они получают усиленное ощущение того, что происходит, когда они правильно располагают свои руки и ноги. Это все равно, что высунуть вашу руку из окна движущегося автомобиля, когда ваша ладонь держится вертикально, вы чувствуете, как сопротивление ветра толкает ее назад. Поверните её на 90 градусов и ваша рука ножом пройдет через воздух.

Методы Турецкого предназначены для оптимизации того, что он называет «три „Р“»: частота гребка, расслабление и ритм (от англ. stroke range, relaxation и rhythm. Прим.переводчика). Ритм важен для снижения рывкообразности в воде. Когда рука пловца в кроле входит в воду, его или её тело ускоряется, но при выходе из воды тело замедляется. Подобно одноцилиндровому двигателю это приводит к неравномерному продвижению. Чем больше изменений, тем больше энергии тратится впустую.

Чтобы двигаться на постоянной скорости, одна рука всегда должна входить в воду, в то время когда другая выходит, так что движение больше похоже движение двухцилиндрового двигателя, где один поршень двигается, а другой в это время восстанавливается. Чтобы руки двигались синхронно, Турецкий заставляет своих пловцов практиковать «байдарочный манёвр», в котором они стоят у бассейна с двухлопастным веслом для каноэ и выполняют воображаемую поездку. Попов показывает, как во время заплыва, его одна рука всегда остается противоположной другой. Опять же, пловцы Турецкого практикуются таким образом до тех пор, пока эта техника не станет их второй натурой.

Эти необычные упражнения и методики тренировок, кажется, окупаются. Пловцы Турецкого не тратят много энергии для создания волн. Дополнительно доказывая его успех, исследование Сергея Колмогорова, научного руководителя российской сборной, показало, что плавная техника Попова позволяет ему потреблять энергии на 30 процентов меньше, чем у других пловцов, двигающихся на той же скорости.

Турецкий надеется еще больше улучшить технику его пловцов. «Я думаю, что Майкл [Клим] будет выглядеть лучше со временем. Он еще учится, по-прежнему растет. Я борюсь за красивую технику», — говорит он. «Красота и совершенство очень близки.»Даниил Дроллетт является внештатным научным писателем в Австралии, на стипендии Фулбрайта.

Читайте также:

Автор перевода Светлана Лещенко

Похожее

swimsimple.ru

Загадка плавания рыб ≪ Scisne?

Живая природа нередко ставит в тупик исследователей, преподнося им различные «технические» загадки. Одна из них, над которой ломает головы не одно поколение учёных, — как многие морские животные, рыбы и дельфины умудряются двигаться в плотной воде со скоростями, порой недоступными даже для полёта в воздухе. Меч-рыба, например, плывёт со скоростью 130 км/ч; тунец — 90 км/ч. Расчеты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды и набрать такую скорость, рыбе необходимо развить мощность автомобильного мотора — порядка 100 лошадиных сил. Энергию живые существа черпают из окислительных процессов. Но рыбы — существа холоднокровные, их температура ненамного выше температуры воды, в которой кислород, кстати, растворён в очень небольшом количестве. Такие мощности для них недостижимы! Остаётся предположить только одно: рыбы каким-то образом «умеют» очень сильно снижать сопротивление воды. Гипотезу, объясняющую этот феномен, выдвинул профессор Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН Владимир Иванович Меркулов (г. Новосибирск).

Рекордсмен подводного плавания — меч-рыба.

Рекордсмен подводного плавания — меч-рыба.

Прошедший ХХ век имеет в своём активе огромные достижения в области гидродинамики. Теоретические, вычислительные и экспериментальные методы позволяют решать любую научную и практическую задачу гидродинамики. Однако есть одна проблема, над которой безуспешно трудились многие научные коллективы и которая перешла почти в неизменном виде в XXI век. Это проблема снижения гидродинамического сопротивления.

При течении вязкой жидкости и даже газов (они тоже обладают вязкостью) возле поверхности образуется так называемый пограничный слой — 
область, где скорость течения меняется от нуля на стенке до некоторой постоянной величины на удалении от неё. Градиент скорости показывает, с какой скоростью это происходит.

При течении вязкой жидкости и даже газов (они тоже обладают вязкостью) возле поверхности образуется так называемый пограничный слой — область, где скорость течения меняется от нуля на стенке до некоторой постоянной величины на удалении от неё. Градиент скорости показывает, с какой скоростью это происходит.

Чтобы правильно оценить потенциальные возможности в этом направлении, обратимся к рекордсмену подводного плавания — меч-рыбе. Взрослая особь этой крупной и очень сильной рыбы вырастает до четырёх метров в длину и набирает массу до полутонны. Её верхняя челюсть вытянута в длинный мечевидный отросток — рострум. Биологи считают это странное образование оружием, которым меч-рыба оглушает добычу, врываясь в косяки макрели и тунцов.

Градиент скоростей, возникающий при течении вязкой жидкости, приводит к вращению её элементов и образованию вихрей.

Градиент скоростей, возникающий при течении вязкой жидкости, приводит к вращению её элементов и образованию вихрей.

В Соединённых Штатах Америки ловля меч-рыбы — национальный вид спорта. Ловят меч-рыбу на спиннинг, и для рыбака представляется прекрасная возможность инструментального определения её скорости.

Согласно публикациям, меч-рыба может развивать скорость до 130 км/ч. Украинские учёные изготовили модель меч-рыбы, подвесили её на быстроходный катер и определили сопротивление модели и требуемую для движения мощность. В пересчёте на скорость и размеры рыбы модель испытывает сопротивление 4000 Н (408 кгс) и требует для своего движения мощность 100 л.с. (73,6 кВт)!

Легко понять, что такие параметры недостижимы для рыбы и, следовательно, законы гидродинамики допускают движение с гораздо меньшим сопротивлением, чем это реализовывается во всех наших моделях. Значит, снизить сопротивление вполне возможно и наши попытки в этом направлении не противоречат физическим законам.

Кроме приведённых выше экспериментальных данных можно привести некоторые теоретические соображения, доказывающие возможность значительного уменьшения сопротивления.

Чем меньше градиент скорости, тем слабее трение в потоке, тем более 
устойчиво течение. Один из таких примеров — движение 
тороидального вихря. Поток, закрученный в тугую спираль 
и свёрнутый в кольцо, может пролететь в воздухе, 
не рассеиваясь, десятки метров.

Чем меньше градиент скорости, тем слабее трение в потоке, тем более устойчиво течение. Один из таких примеров — движение тороидального вихря. Поток, закрученный в тугую спираль и свёрнутый в кольцо, может пролететь в воздухе, не рассеиваясь, десятки метров.

По закону Ньютона, касательное трение в вязкой жидкости равняется произведению вязкости на градиент скорости (градиент показывает, с какой скоростью изменяется какая-то величина при перемещении на единицу расстояния). Для продольного обтекания пластины градиент скорости обратно пропорционален корню квадратному из вязкости. Таким образом, касательное трение в этом случае оказывается пропорциональным корню квадратному из вязкости. В то же время для течения в кольцевом зазоре градиент скорости не зависит от вязкости и касательное трение оказывается пропорциональным первой степени вязкости. Если учесть, что динамическая вязкость воды имеет порядок величины 10-6, то касательное трение для пластины и такой же поверхности в кольцевом зазоре будет различаться в тысячу раз.

Примером внешнего течения с малым градиентом скорости может служить движение тороидального вихря вдоль собственной оси симметрии. При расчётах область течения разбивается некоторой сферой на две части: внешнее невязкое течение вне сферы и внутреннее вихревое течение внутри сферы.

Область вокруг тороидального вихря можно разбить на две части: внешнее невязкое течение с нулевым сопротивлением и внутреннее 
с незначительным градиентом скоростей и, следовательно, чрезвычайно малым вязким трением. Этим и объясняется устойчивость тороидального вихря.

Область вокруг тороидального вихря можно разбить на две части: внешнее невязкое течение с нулевым сопротивлением и внутреннее с незначительным градиентом скоростей и, следовательно, чрезвычайно малым вязким трением. Этим и объясняется устойчивость тороидального вихря.

На границе раздела касательная скорость обоих течений совпадает, поэтому внешнее течение обладает нулевым сопротивлением. Внутреннее кольцевое течение в силу своей ограниченности имеет сопротивление трения, пропорциональное первой степени вязкости. Именно этим свойством объясняется удивительная способность кольцевого вихря быстро и далеко перемещаться в воздухе. Чтобы использовать поразительные свойства кольцевого вихря в практических целях, необходимо воспроизвести течения в нём на некотором теле.

Любую поверхность, составленную из линий тока, можно рассматривать как поверхность некоторого тела. Внутри кольцевого вихря имеется множество поверхностей, которые можно считать вложенными один в другой торами (на самом же деле это туго свёрнутая спираль). Размещение внутри вихря тела подходящей формы сохранит внешнее течение с нулевым сопротивлением только в том случае, если мы компенсируем торможение потока, создаваемое поверхностью тела.

В морской воде необходимые силы можно создать постоянными электрическими и магнитными полями.

Так может выглядеть двигатель для морской воды, собранный из чередующихся магнитных и электрических полюсов. 
Взаимодействие полей вызывает течения проводящей жидкости, подобные 
потокам в тороидальном вихре.

Так может выглядеть двигатель для морской воды, собранный из чередующихся магнитных и электрических полюсов. Взаимодействие полей вызывает течения проводящей жидкости, подобные потокам в тороидальном вихре.

Для этого нужно собрать конструкцию в форме тора из чередующихся кольцевых магнитов и электродов. Их полюса создают взаимно перпендикулярные электрические и магнитные поля, которые заставят электропроводящую жидкость двигаться вокруг поверхности тора, создавая объёмную силу, компенсирующую торможение потока.

Как показали вычисления, при напряжённости магнитного поля на полюсах в одну тесла, достижимой применением постоянных магнитов, для движения тора диаметром 2 м со скоростью 10 м/с требуется электрическая мощность 300 Вт. Это в сто раз меньше, чем нужно для буксировки пластинки эквивалентной площади (несмотря на то, что электрический коэффициент полезного действия при указанных параметрах составляет всего 6%).

Объёмную силу можно создать только в электропроводящей жидкости. В пресной воде и тем более в воздухе такая возможность отсутствует. Поэтому представляет интерес рассмотреть течения с малым градиентом, создаваемые за счёт деформации границы по закону бегущей волны.

Такая постановка задачи впервые была сформулирована автором в шестидесятых годах. Тогда же под его руководством провели ряд теоретических и экспериментальных исследований вихревых структур как на дельфине, который выступал прототипом, так и в лабораторных условиях.

Эксперименты показали, что даже волнистая поверхность типа «стиральной доски» может несколько понизить гидродинамическое сопротивление, но только в определённом диапазоне скоростей. А волна упругой 
деформации, бегущая по поверхности с определённой скоростью 
и амплитудой, в принципе способна уменьшить его почти 
до нуля.

Эксперименты показали, что даже волнистая поверхность типа «стиральной доски» может несколько понизить гидродинамическое сопротивление, но только в определённом диапазоне скоростей. А волна упругой деформации, бегущая по поверхности с определённой скоростью и амплитудой, в принципе способна уменьшить его почти до нуля.

В отличие от течения вдоль неподвижной границы, когда образуется пограничный слой с большим градиентом скорости, бегущая волна перестраивает течение в периодическую структуру с малым градиентом скорости. При некоторых значениях фазовой скорости и амплитуды бегущей волны суммарное трение обращается в нуль. Естественно, возникает вопрос, какой ценой достигается этот результат. Энергетические потери состоят из двух слагаемых разной природы. Первое — это вязкие потери в жидкости. Поскольку градиент рассматриваемого течения невелик, то и потери эти, пропорциональные вязкости, оказываются очень малыми. Второе слагаемое — потери в самом упругом покрытии. При резонансных колебаниях материала в потоке жидкости основная, и не малая, энергия должна перекачиваться из упругой формы в кинетическую. Другая часть энергии рассеивается в материале. Эти потери могут компенсироваться либо за счёт энергии потока, что приведёт к пропорциональному увеличению сопротивления, либо за счёт внешнего источника энергии.

Отдельно стоит вопрос о механизме и энергии, необходимых для первоначального формирования вихрей. При подходящем выборе упругих параметров удаётся добиться того, чтобы в носовой части бегущая волна возбуждалась за счёт энергии внешнего потока, а в кормовой волна исчезала, возвращая энергию в поток.

Обратимся теперь вновь к меч-рыбе, с которой начался рассказ.

При обтекании потоком воды гладкого шара на его поверхности возникает пограничный слой, который тянется на длину радиуса шара. После его разрушения образуется обширная область сильных завихрений, создающих 
торможение. Проволочное колечко, надетое на шар перед его экватором, разрушает пограничный слой. Он отрывается ниже по потоку, и гидродинамическое сопротивление падает в десятки раз.

При обтекании потоком воды гладкого шара на его поверхности возникает пограничный слой, который тянется на длину радиуса шара. После его разрушения образуется обширная область сильных завихрений, создающих торможение (а). Проволочное колечко, надетое на шар перед его экватором, разрушает пограничный слой. Он отрывается ниже по потоку, и гидродинамическое сопротивление падает в десятки раз (б).

Заметим, что похожую форму и, как мы предполагаем, аналогичный механизм снижения сопротивления имеет и ещё один хороший пловец — полярный дельфин-нарвал. Интересная деталь: левый верхний зуб у самцов нарвала развивается в спирально закрученный бивень длиной до трёх метров, похожий на рострум меч-рыбы. Назначение его неясно. Не в них ли секрет быстрого и экономичного плавания меч-рыбы и нарвала?

Наша гипотеза состоит в том, что рострум и бивень служат генераторами вихрей. Исследования показали, что при обтекании тонкого гладкого тела спиральные вихри не возникают. В потоке образуется пограничный слой, который отрывается сразу за телом, создавая мощные завихрения. Давление в них падает, оказывая на тело тормозящее действие. Такое же тело, но с шероховатой поверхностью, возмущает пограничный слой, превращая его в вихревое (турбулентное) течение. Последующее действие этих вихрей легко себе представить. Они переходят с рострума на тело рыбы или дельфина, где перестраивают пограничный слой в такое же периодическое течение, как это делает бегущая волна со всеми вытекающими из этого последствиями.

Генератор вихрей

Так выглядит «игра» вихревых колец.

Так выглядит «игра» вихревых колец.

Вихрь — это движение жидкости или газа, которое сопровождается вращением частиц среды. Подавляющее большинство течений, происходящих и в природе, и в технических устройствах, сопровождается появлением вихрей. Каждый, вероятно, замечал, как при самом слабом ветре возле бровки тротуара или угла здания начинают кружиться мелкие бумажки и мусор. Это в потоке воздуха, обтекающего препятствие, возник вихрь. Рёв и гудение водопроводных труб вызывают вихри, возникшие при течении воды через кран с изношенной прокладкой. А смерч, проходя десятки километров за считанные минуты, производит на своём пути страшные разрушения.

«Виновна» в образовании вихрей вязкость среды (даже очень низкая — у газов). При обтекании ею препятствия на поверхности образуется тонкий пограничный слой из заторможенных частиц. При удалении от поверхности скорость частиц возрастает — возникает градиент скоростей. Каждую частицу с одной стороны поток тормозит, с другой — ускоряет. В результате возникает их вращение, образуется вихрь. По мере приближения к оси вихря скорость частиц возрастает и давление внутри его, следовательно, падает. Из-за этого вихрь при своём движении всасывает жидкость или газ, оставаясь устойчивым довольно длительное время (см. «Наука и жизнь», № 10, 1992 г.).

Вода, вытолкнутая из круглого отверстия поршнем, сворачивается в тороидальный вихрь. Так же ведёт себя и воздух, 
вылетающий из «генератора».

Вода, вытолкнутая из круглого отверстия поршнем, сворачивается в тороидальный вихрь. Так же ведёт себя и воздух, вылетающий из «генератора».

Вращение частиц среды, вовлечённых в вихревое движение, приводит к взаимодействию вихрей. Если, например, сближаются два одинаковых вихря, которые вращаются в одну сторону, то они начнут вращаться вокруг оси симметрии. Если же они вращаются в противоположные стороны, оба они станут двигаться поступательно как одно целое. Очень интересно ведут себя вихревые кольца, летящие одно за другим. Переднее кольцо теряет скорость и расширяется, заднее ускоряется, сжимается и проскакивает сквозь него. Кольца меняются местами, и всё повторяется — начинается «игра» вихревых колец.

Продемонстрировать интересные свойства вихревых колец можно при помощи несложного устройства — «генератора вихрей». В дне большой консервной банки или старого алюминиевого бидона вырезают круглое отверстие диаметром 1 — 2 сантиметра. Второе дно срезают и затягивают отверстие плотной полиэтиленовой пленкой — мембраной. Генератор готов.

«Генератор вихрей» из консервной банки.

«Генератор вихрей» из консервной банки.

Банку берут в руку и ударяют ладонью по мембране. Порция воздуха с большой скоростью вылетает из отверстия и, взаимодействуя с его краями, образует вихревое кольцо (похожим образом курильщик пускает дымовые колечки). Летит оно довольно далеко, и на расстоянии 2–3 метра легко сбивает спичечные коробки и домики, построенные из открыток.

Чтобы увидеть кольцо в полёте, банку наполняют дымом. Если же её удастся аккуратно заполнить дымом только наполовину, вихрь выглядит особенно эффектно: по воздуху летит половинка «бублика»! Внимательно присмотревшись, удаётся разглядеть даже внутреннюю структуру вихря (для этого следует воспользоваться стробоскопом — см. «Наука и жизнь» № 7, 1984 г.). На снимке, воспроизведённом выше, хорошо видно, что она представляет собой туго закрученную спираль.

Доктор физико-математических, профессор Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН наук В. И. Меркулов«Наука и жизнь»

scisne.net

ЗАГАДКА ПЛАВАНИЯ РЫБ | Наука и жизнь

Живая природа нередко ставит в тупик исследователей, преподнося им различные "технические" загадки. Одна из них, над которой ломает головы не одно поколение ученых, - как многие морские животные, рыбы и дельфины умудряются двигаться в плотной воде со скоростями, порой недоступными даже для полета в воздухе. Меч-рыба, например, плывет со скоростью 130 км/ч; тунец - 90км/ч. Расчеты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды и набрать такую скорость, рыбе необходимо развить мощность автомобильного мотора - порядка 100 лошадиных сил. Энергию живые существа черпают из окислительных процессов. Но рыбы - существа холоднокровные, их температура ненамного выше температуры воды, в которой кислород, кстати, растворен в очень небольшом количестве. Такие мощности для них недостижимы! Остается предположить только одно: рыбы каким-то образом "умеют" очень сильно снижать сопротивление воды. Гипотезу, объясняющую этот феномен, выдвинул профессор Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН Владимир Иванович Меркулов (г. Новосибирск).

Рекордсмен подводного плавания - меч-рыба.

При течении вязкой жидкости и даже газов (они тоже обладают вязкостью) возле поверхности образуется так называемый пограничный слой - область, где скорость течения меняется от нуля на стенке до некоторой постоянной величины на удалении от нее.

Чем меньше градиент скорости, тем слабее трение в потоке, тем более устойчиво течение.

Область вокруг тороидального вихря можно разбить на две части: внешнее невязкое течение с нулевым сопротивлением и внутреннее с незначительным градиентом скоростей и, следовательно, чрезвычайно малым вязким трением.

Так может выглядеть двигатель для морской воды, собранный из чередующихся магнитных и электрических полюсов. Взаимодействие полей вызывает течения проводящей жидкости, подобные потокам в тороидальном вихре.

Эксперименты показали, что даже волнистая поверхность типа 'стиральной доски' может несколько понизить гидродинамическое сопротивление, но только в определенном диапазоне скоростей.

При обтекании потоком воды гладкого шара на его поверхности возникает пограничный слой, который тянется на длину радиуса шара.

Прошедший ХХ век имеет в своем активе огромные достижения в области гидродинамики. Теоретические, вычислительные и эксперимен тальные методы позволяют решать любую научную и практическую задачу гидродинамики. Однако есть одна проблема, над которой безуспешно трудились многие научные коллективы и которая перешла почти в неизменном виде в XXI век. Это проблема снижения гидродинамического сопротивления.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Чтобы правильно оценить потенциальные возможности в этом направлении, обратимся к рекордсмену подводного плавания - меч-рыбе. Взрослая особь этой крупной и очень сильной рыбы вырастает до четырех метров в длину и набирает массу до полутонны. Ее верхняя челюсть вытянута в длинный мечевидный отросток - рострум. Биологи считают это странное образование оружием, которым меч-рыба оглушает добычу, врываясь в косяки макрели и тунцов.

В Соединенных Штатах Америки ловля меч-рыбы - национальный вид спорта. Ловят меч-рыбу на спиннинг, и для рыбака представляется прекрасная возможность инструментального определения ее скорости.

Согласно публикациям, меч-рыба может развивать скорость до 130 км/ч. Украинские ученые изготовили модель меч-рыбы, подвесили ее на быстроходный катер и определили сопротивление модели и требуемую для движения мощность. В пересчете на скорость и размеры рыбы модель испытывает сопротивление 4000 Н (408 кгс) и требует для своего движения мощность 100 л.с. (73,6 кВт)!

Легко понять, что такие параметры недостижимы для рыбы и, следовательно, законы гидродинамики допускают движение с гораздо меньшим сопротивлением, чем это реализовывается во всех наших моделях. Значит, снизить сопротивление вполне возможно и наши попытки в этом направлении не противоречат физическим законам.

Кроме приведенных выше экспериментальных данных можно привести некоторые теоретические соображения, доказывающие возможность значительного уменьшения сопротивления.

По закону Ньютона, касательное трение в вязкой жидкости равняется произведению вязкости на градиент скорости (градиент показывает, с какой скоростью изменяется какая-то величина при перемещении на единицу расстояния). Для продольного обтекания пластины градиент скорости обратно пропорционален корню квадратному из вязкости. Таким образом, касательное трение в этом случае оказывается пропорциональным корню квадратному из вязкости. В то же время для течения в кольцевом зазоре градиент скорости не зависит от вязкости и касательное трение оказывается пропорциональным первой степени вязкости. Если учесть, что динамическая вязкость воды имеет порядок величины 10-6, то касательное трение для пластины и такой же поверхности в кольцевом зазоре будет различаться в тысячу раз.

Примером внешнего течения с малым градиентом скорости может служить движение тороидального вихря вдоль собственной оси симметрии. При расчетах область течения разбивается некоторой сферой на две части: внешнее невязкое течение вне сферы и внутреннее вихревое течение внутри сферы.

На границе раздела касательная скорость обоих течений совпадает, поэтому внешнее течение обладает нулевым сопротивлением. Внутреннее кольцевое течение в силу своей ограниченности имеет сопротивление трения, пропорциональное первой степени вязкости. Именно этим свойством объясняется удивительная способность кольцевого вихря быстро и далеко перемещаться в воздухе. Чтобы использовать поразительные свойства кольцевого вихря в практических целях, необходимо воспроизвести течения в нем на некотором теле.

Любую поверхность, составленную из линий тока, можно рассматривать как поверхность некоторого тела. Внутри кольцевого вихря имеется множество поверхностей, которые можно считать вложенными один в другой торами (на самом же деле это туго свернутая спираль). Размещение внутри вихря тела подходящей формы сохранит внешнее течение с нулевым сопротивлением только в том случае, если мы компенсируем торможение потока, создаваемое поверхностью тела.

В морской воде необходимые силы можно создать постоянными электрическими и магнитными полями.

Для этого нужно собрать конструкцию в форме тора из чередующихся кольцевых магнитов и электродов. Их полюса создают взаимно перпендикулярные электрические и магнитные поля, которые заставят электропроводящую жидкость двигаться вокруг поверхности тора, создавая объемную силу, компенсирующую торможение потока.

Как показали вычисления, при напряженности магнитного поля на полюсах в одну тесла, достижимой применением постоянных магнитов, для движения тора диаметром 2 м со скоростью 10 м/с требуется электрическая мощность 300 Вт. Это в сто раз меньше, чем нужно для буксировки пластинки эквивалентной площади (несмотря на то, что электрический коэффициент полезного действия при указанных параметрах составляет всего 6%).

Объемную силу можно создать только в электропроводящей жидкости. В пресной воде и тем более в воздухе такая возможность отсутствует. Поэтому представляет интерес рассмотреть течения с малым градиентом, создаваемые за счет деформации границы по закону бегущей волны.

Такая постановка задачи впервые была сформулирована автором в шестидесятых годах. Тогда же под его руководством провели ряд теоретических и экспериментальных исследований вихревых структур как на дельфине, который выступал прототипом, так и в лабораторных условиях.

В отличие от течения вдоль неподвижной границы, когда образуется пограничный слой с большим градиентом скорости, бегущая волна перестраивает течение в периодическую структуру с малым градиентом скорости. При некоторых значениях фазовой скорости и амплитуды бегущей волны суммарное трение обращается в нуль. Естественно, возникает вопрос, какой ценой достигается этот результат. Энергетические потери состоят из двух слагаемых разной природы. Первое - это вязкие потери в жидкости. Поскольку градиент рассматриваемого течения невелик, то и потери эти, пропорциональные вязкости, оказываются очень малыми. Второе слагаемое - потери в самом упругом покрытии. При резонансных колебаниях материала в потоке жидкости основная, и не малая, энергия должна перекачиваться из упругой формы в кинетическую. Другая часть энергии рассеивается в материале. Эти потери могут компенсироваться либо за счет энергии потока, что приведет к пропорциональному увеличению сопротивления, либо за счет внешнего источника энергии.

Отдельно стоит вопрос о механизме и энергии, необходимых для первоначального формирования вихрей. При подходящем выборе упругих параметров удается добиться того, чтобы в носовой части бегущая волна возбуждалась за счет энергии внешнего потока, а в кормовой волна исчезала, возвращая энергию в поток.

Обратимся теперь вновь к меч-рыбе, с которой начался рассказ.

Заметим, что похожую форму и, как мы предполагаем, аналогичный механизм снижения сопротивления имеет и еще один хороший пловец - полярный дельфин-нарвал. Интересная деталь: левый верхний зуб у самцов нарвала развивается в спирально закрученный бивень длиной до трех метров, похожий на рострум меч-рыбы. Назначение его неясно. Не в них ли секрет быстрого и экономичного плавания меч-рыбы и наврала?

Наша гипотеза состоит в том, что рострум и бивень служат генераторами вихрей. Исследования показали, что при обтекании тонкого гладкого тела спиральные вихри не возникают. В потоке образуется пограничный слой, который отрывается сразу за телом, создавая мощные завихрения. Давление в них падает, оказывая на тело тормозящее действие. Такое же тело, но с шероховатой поверхностью, возмущает пограничный слой, превращая его в вихревое (турбулентное) течение. Последующее действие этих вихрей легко себе представить. Они переходят с рострума на тело рыбы или дельфина, где перестраивают пограничный слой в такое же периодическое течение, как это делает бегущая волна со всеми вытекающими из этого последствиями.

Литература

Меркулов В. И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. - М., 1989.

Сымрай А. Г. Корабль. Его прошлое, настоящее и будущее. - М., 1967.

См. в номере на ту же тему

Генератор вихрей.

www.nkj.ru

Гидродинамики научат рыб быстро плавать

David Burdick, NOAA Photo Library

В своем новом исследовании американские гидродинамики нашли основные физические параметры, которые определяют оптимальный режим плавания рыб и водных млекопитающих. Оказалось, что максимальная скорость достигается при минимальных усилиях, если отношение амплитуды колебания хвоста животного к длине его тела составляет от 10 до 30 процентов. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids.

Движение рыбы за счет хвостового плавника довольно хорошо оптимизировано: при минимальных тратах энергии они достигают максимальной скорости. До последнего времени считалось, что удается им это благодаря управлению безразмерным числом Струхаля, которое связывает скорость движения с частотой и амплитудой колебательных движений хвоста. Для того, чтобы тратить наименьшие усилия, эти значения не должны выходить за пределы диапазона от 0,2 до 0,4. В этом плавание рыб похоже на полет птиц: несмотря на то, что механизмы движения разные, они описываются практически одинаковым диапазоном чисел Струхаля.

В своей новой работе гидродинамики из США сделали вывод, что на самом деле скорость плавния определяется двумя параметрами: кроме числа Струхаля важным также является отношения амплитуды колебаний хвоста к длине тела, и более важным из них является второй. Для своего исследования ученые сделали оценки для соотношения безразмерных величин, определяющих динамику движения, и проверили их на простой экспериментальной установке (подробнее о ней рассказывается ниже), после чего сравнили полученные результаты с известными данными для разных видов водных животных: форели, нескольких видов дельфинов, черной акулы, плотвы и скумбрии.

Теоретические оценки показали, что при относительно маленьких скоростях, когда сила сопротивления прямо пропорциональна скорости, число Струхаля падает при возрастании скорости. Но когда величина скорости поднимается выше критической, сопротивление становится пропорцианально квадрату скорости и значение числа Струхаля выходит на постоянное значение в районе 0,3. При этом рыба перестает его контролировать: в таком режиме оно полностью определяется формой ее тела и вязкостью жидкости. Однако удалось показать, что при таком плавании скорость движения оказывается пропорциональна частоте колебаний хвостого плавника, а энергетические потери контролируются за счет изменения их амплитуды.

Для того, чтобы подтвердить сделанные оценки, гидродинамики собрали простую установку, в которой вместо рыбы использовался прямоугольный кусочек гибкой фольги. Его прикрепили к небольшому мотору, с помощью которого фольга совершала колебательные движения с определенной амплитудой, и поместили в поток жидкости. Одновременные измерения скорости жидкости, амплитуды и частоты колебаний фольги подвердили существование оптимального значения отношения амплитуды колебаний к длине тела в районе 25 процентов.

Диапазон нормированных амплитуды и частоты колебаний хвоста различных водных животных при плавании

M. Saadat et al./ Phys. Rev. Fluids, 2017

Финальной частью работы было сравнение полученных теоретических и лабораторных результатов с данными, известными для реальных водных животных. Оказалось, что действительно для движения со скоростями, при которых сопротивление пропорционально квадрату скорости, число Струхаля у таких животных практически не меняется. Более того, оно очень слабо зависит и от вида животного. А найденное значение оптимальной амплитуды колебаний хвоста подтвердилось: если рыба плывет достаточно быстро, то тратить меньше всего сил она будет, когда трясет своим хвостом с амплитудой от 10 до 30 процентов от длины своего тела.

Раньше мы писали, что сэкономить силы при плавании рыбы могут и другими способами, например, плавая на боку.

Александр Дубов

nplus1.ru

Исследование техники плавания рыб с помощью моделирования

Исследование способов передвижения рыб позволяет ученым проектировать транспортные средства и роботов, которые смогут плавать и ориентироваться в водной среде. Выполнение таких исследований требует анализа взаимодействия тела рыб с окружающей их жидкостью. С помощью среды COMSOL Multiphysics исследователям из Университета Рома Тре удалось смоделировать карангиформный тип локомоции — особого способа передвижения рыбы, и детально проанализировать его динамику.

Связь между способом передвижения рыб и улучшением водных конструкций

За миллионы лет эволюции рыбы приобрели способность быстро и легко передвигаться в водной среде, которая стала для них родной стихией. Передвижение в подобных средах, как мы уже отмечали ранее в блоге — сложная задача для созданных людьми транспортных средств и роботов, поскольку в мутной воде в условиях слабой освещенности очень сложно ориентироваться. Для решения этой задачи люди зачастую черпают новые идеи, наблюдая за рыбами.

A school of fish Исследование техники плавания рыб с помощью моделированияИзучение техники плавания рыб позволяет найти оптимальные решения при проектировании водного транспорта. Изображение предоставлено Jim and Becca Wicks — Snap of Snapper!. Лицензия CC BY 2.0, в Wikimedia Commons.

Исследователи из Корнелла, к примеру, разрабатывают пластичного робота, который будет плавать как минога (смотри ниже). Рыбоподобный робот использует простую технику плавания миноги для самостоятельного передвижения и изучения пространства, в частности, в океанах спутника Юпитера, Европы.

A lamprey fish Исследование техники плавания рыб с помощью моделированияМинога является одним из видов рыб, чье поведение вдохновляет развитие водных роботов. Изображение предоставлено Tiit Hunt — Собственная работа. Лицензия CC BY-SA 3.0, в Wikimedia Commons.

Для создания таких роботов инженерам необходимо понимать, как рыбы передвигаются в водной среде. Помочь им в этом могут FSI-исследования (исследования взаимодействия жидкости и твердых тел), в рамках которых рассчитываются поле скорости и давления жидкости, а также напряжения и деформации в теле рыбы. Анализируя воздействие жидкой среды на передвижение рыбы, и наоборот, влияние движений тела рыбы на поток жидкости, исследователи могут получить точные и полезные результаты.

Сегодня мы рассмотрим, как группа ученых из Университета Рома Тре использовала FSI-моделирование в среде COMSOL Multiphysics для исследования способов передвижения рыб, основные результаты которого были опубликованы в статье "Виртуальный аквариум: моделирование техники плавания рыб". Они представили свое исследование на Конференции сообщества COMSOL-2015 в Гренобле, получив награды за лучшую статью и лучший стенд конференции.

Создание виртуального аквариума для изучения техники плавания рыб

Ученые использовали двумерный подход для анализа передвижения рыбы, свободно плавающей в жидкой среде. Они моделировали взаимодействие между телом рыбы (твердое тело) и окружающей соленой водой (жидкость). Также ученые моделировали сокращения мышц рыбы, используя понятие возмущений. Сегодня мы рассмотрим методику FSI-моделирования, которую они использовали в своих исследованиях.

Исследование было посвящено анализу карангиформного типа локомоции, — разновидности движения рыбы, при котором ее мышцы волнообразно сокращаются от головы до хвоста. В анимационном ролике показано, что движения, совершаемые хвостом, превращают его в двигатель и создают локальную тягу и импульсную струю. В результате возникает движущая сила, которая и толкает рыбу вперед.

Карангиформный тип локомоции плавания рыбы.

В своей работе группа исследователей проанализировала карангиформный тип локомоции в разные моменты времени. При перемещении рыбы внутри виртуального аквариума окружающая ее расчетная сетка деформируется, как показано на рисунках. В итоге при движении возникают настолько большие деформации, что для решения задачи требуется метод автоматического перестроения сетки. Исследователям удалось решить задачу с помощью интерфейса Fluid-Structure Interaction за счет использование подвижной сетки для коротких промежутков времени и автоматического перестроения сетки для более длительных интервалов.

Meshes of swimming fish2 Исследование техники плавания рыб с помощью моделированияСетки, используемые для анализа техники плавания рыб. Изображение предоставлено M. Curatolo and L. Teresi и взято из их презентации на Конференции сообщества COMSOL-2015 в Гренобле.

Методы адаптации сетки, упомянутые выше, позволили ученым тщательно изучить воздействие движений тела рыбы на жидкую среду, в том числе эффекты в гидродинамическом следе. Когда твердое тело, например рыба, передвигается в жидкой среде, оно создает за собой гидродинамический след или, другими словами, зону возмущенного потока. Исследовательская группа использовала COMSOL Multiphysics для изучения структуры течения в следе и анализа вихрей, генерируемых при карангиформном плавании. Ученые обнаружили, что каждое движение рыбьего хвоста генерирует вихри, и что взаимное расстояние между центрами вихрей не изменяется.

Vortices and wake of swimming fish Исследование техники плавания рыб с помощью моделированияВихри и гидродинамический след, которые появляются, как только рыба начинает плыть. Изображение предоставлено M. Curatolo and L. Teresi и взято из их презентации на Конференции сообщества COMSOL-2015 в Гренобле.

Пример вихрей и гидродинамического следа.

Чтобы лучше понять, как окружающая соленая вода и тело рыбы взаимодействуют друг с другом, исследователи также рассчитали подъемную силу и силу лобового сопротивления. Результаты расчетов показали хорошее соответствие между компонентами скорости хвоста и подъемной и буксирующей силами.

Fish tail velocity Исследование техники плавания рыб с помощью моделирования

Swimming fish lift and drag Исследование техники плавания рыб с помощью моделирования

Слева: График сравнения компонент скорости хвоста. Справа: График сравнения подъемной силы и силы лобового сопротивления. Изображение предоставлено M. Curatolo and L. Teresi и взято из их презентации на Конференции сообщества COMSOL-2015 в Гренобле.

Сравнение результатов моделирования с натурными измерениями показало удовлетворительное согласие. Исследователи надеются, что результаты их моделирования поспособствуют прогрессу в изучении способов передвижения рыб.

Решение задач FSI-моделирования в среде COMSOL Multiphysics

Моделирование плавания рыб является всего лишь одним из примеров сложных задач, которые можно решать с помощью инструментов FSI-моделирования среды COMSOL Multiphysics. Такие инструменты позволят вам моделировать множество различных устройств — от смесителей и проточных труб до колебательных структур в жидкостях и упруго-пористых средах.

Вы хотите узнать о других типах задач FSI-моделирования, которые можно решать в среде COMSOL Multiphysics? Тогда обязательно прочтите статью блога, в которой представлен полезный обзор таких задач. Мы также рекомендуем Вам посмотреть запись вебинара по FSI-моделированию или скачать одну из учебных моделей Галереи приложений, например вот эту.

Примечание редактора: Соответствующая модель и необходимые файлы были добавлены в Model Exchange 2/21/2017. Вы можете найти их здесь.

Дополнительные источники информации

www.comsol.ru


Смотрите также

 

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..