Stingrays 'Seltsames Schwimmen Kann Neue U-Boot-Designs Inspirieren

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Wissenschaftler untersuchen mithilfe von strömungsdynamik, wie stachelrochen schwimmen, um agile und kraftstoffsparende u-boote zu entwickeln.

Manchmal finden sich die Antworten auf einige der schwierigsten Probleme der Technologie in der Natur. Forscher, die hofft, beweglichere und kraftstoffsparendere U-Boote zu entwerfen, lassen sich von der einzigartigen und eleganten Art, wie Stachelrochen schwimmen, auffallen.

Wissenschaftler der Harvard University und der University in Buffalo untersuchen, wie sich Stachelrochen bewegen, einschließlich der scheinbar mühelosen Art und Weise, wie sich die runden und plattgedrückten Körper der Fische durch das Wasser bewegen. Die neue Forschung könnte die Entwicklung von unbemannten U-Booten der nächsten Generation für die Erkundung der Meere, für Aufräumarbeiten oder für Rettungsaktionen anregen.

"Die meisten Fische wedeln mit den Schwänzen. Das Schwimmen eines Stachelrochen ist viel unverwechselbarer, wie eine Fahne im Wind", sagte Richard Bottom, ein Maschinenbaustudent an der Universität von Buffalo, in einer Erklärung. [Bildergalerie: Katalog der seltsamen Meeresbewohner]

Bottom und seine Kollegen verwendeten komplexe Algorithmen, die mit der Strömungsdynamik von Computern zu tun haben, um die Art und Weise zu bestimmen, in der Wasser strömend durch lebende Stachelrochen fließt. Die 3D-Modelle identifizierten Muster aus rotierenden Flüssigkeitsbereichen, die als Wirbel bezeichnet werden und sich entlang der Stachelrochen bilden, während sie sich durch das Wasser bewegen.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich insbesondere auf den sogenannten Vorderkantenwirbel, den Wirbel an der Vorderseite eines sich bewegenden Objekts. Wenn Stachelrochen schwimmen, erzeugen Wirbel günstige Druckfelder an ihrem Körper - niedriger Druck auf der Vorderseite und hoher Druck auf dem Rücken -, die dazu beitragen, dass sie im Wasser nach vorne gleiten.

Dieses Phänomen wurde bei fliegenden Vögeln und Insekten untersucht, aber Bottom und seine Kollegen glauben, dass dies der erste Wirbelsturm bei Unterwasserbewegungen ist.

Die Forscher erstellten 3D-Karten, in denen Wasser und Wirbel um schwimmende Stachelrochen fließen. Die blauen Blasen zeigen Wirbel auf den Wellen des Körpers eines Stachelrochen an, die günstige Druckfelder verursachen, die den Fisch nach vorne drücken.

Die Forscher erstellten 3D-Karten, in denen Wasser und Wirbel um schwimmende Stachelrochen fließen. Die blauen Blasen zeigen Wirbel auf den Wellen des Körpers eines Stachelrochen an, die günstige Druckfelder verursachen, die den Fisch nach vorne drücken.

Bildnachweis: Richard Bottom

Für Insekten ist der Vorderkantenwirbel einer der wichtigsten Mechanismen, die erforderlich sind, um den für den Flug notwendigen Schub zu erzeugen. Da Bewegungen durch Luft und Wasser auf ähnlichen Eigenschaften beruhen, ist es für die Entwicklung einer Vielzahl von sich bewegenden Fahrzeugen wichtig zu wissen, wie diese Wirbel funktionieren.

"Indem wir die Natur betrachten, können wir davon lernen und neue Designs für Autos, Flugzeuge und U-Boote entwickeln", sagte Iman Borazjani, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität von Buffalo, in einer Erklärung. "Aber wir ahmen nicht nur die Natur nach. Wir möchten die zugrunde liegende Physik für den zukünftigen Einsatz im Engineering oder in zentralen Konstruktionen verstehen."

Die Forscher werden ihre Ergebnisse auf der 66. Jahrestagung der American Physical Society Division von Fluid Dynamics am 24. November in Pittsburgh, Pennsylvania, vorstellen.

Borazjani und Bottom beabsichtigen, ihre Forschung zu erweitern, indem sie die Bewegungsänderungen zwischen verschiedenen Arten von Stachelrochen untersuchen.

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