Суперкомпьютер помог ученым раскрыть секрет невероятной скорости дельфинов за счет мощных вихревых колец
Исследователи из Университета Осаки использовали суперкомпьютерные симуляции, чтобы разгадать тайну того, как дельфины достигают такой высокой скорости и маневренности. Команда исследователей определила конкретные механизмы движения, проанализировав сложные турбулентные структуры воды, создаваемые хвостом дельфина. Интересно, что суперкомпьютерное моделирование показало: движение дельфина обеспечивается формированием массивных мощных вихревых колец. Ведущий автор исследования Ютаро Мотоори отметил, что цель ученых — понять, какие части турбулентного потока помогают дельфинам плавать так быстро, и с помощью суперкомпьютера можно смоделировать и разложить поток на компоненты, чтобы определить, какие из них играют главную роль.
Эксперты давно знали, что дельфины быстры, но конкретный источник их движения было трудно отследить. На протяжении десятилетий так называемый «парадокс Грея» предполагал, что мышцы дельфина математически неспособны преодолеть сопротивление воды, что привело к ошибочной теории об уникальных анти-турбулентных свойствах кожи дельфинов. Это исследование наконец разрешает парадокс, демонстрируя, что секрет кроется в гидродинамике, а не только в биологии. Дельфины двигаются вперед, совершая хвостом мощные вертикальные движения, которые отталкивают воду назад и создают след из сложных турбулентных течений. Это движение порождает «иерархию вихрей» — смесь крупных энергонасыщенных завихрений и мелких хаотичных колебаний. Чрезвычайная сложность этих перекрывающихся водных структур делала практически невозможным для ученых определить, какая именно часть потока отвечает за легендарную скорость дельфина.
Как выяснилось, ответ был скрыт в сложной бурлящей турбулентности, порождаемой мощными движениями дельфина. Используя крупномасштабные численные симуляции, команда из Университета Осаки обнаружила, что движение хвоста дельфина генерирует мощные вихревые кольца большого масштаба. Исследование показывает, что только самые крупные из этих вихрей обеспечивают фактическую тягу, необходимую для скорости. Исследователи отмечают, что численные симуляции показали: колеблющийся хвост дельфина создает сильные крупномасштабные вихревые кольца, которые отталкивают воду назад и создают тягу. Затем эти крупные вихри порождают более мелкие в процессе, известном как каскад энергии. И хотя этих мелких вихрей очень много, они почти не вносят вклада в поступательное движение дельфина.
Используя высокопроизводительные суперкомпьютерные симуляции, исследователи достигли уровня детализации в наблюдении за движением жидкости, который практически невозможно воспроизвести в физических экспериментах. Гибкость цифрового подхода позволила легко тестировать различные сценарии, подтвердив, что механизм движения дельфина остается удивительно стабильным при разных скоростях плавания. Примечательно, что это вычислительное исследование обеспечило четкое контролируемое представление о сложной физике, которое реальные испытания просто не могли уловить. Эти выводы о механизме движения дельфинов предлагают многообещающий план для будущего морского машиностроения, в частности для разработки более быстрых и энергоэффективных подводных роботов, а также передовых систем управления турбулентностью. Исследователи теперь могут применять эти биологические «лазейки» в технологиях, созданных человеком, изолируя конкретные механизмы, генерирующие тягу. Хотя практическое применение таких разработок еще впереди, данное исследование подчеркивает, как физика может изучать природный мир для решения давних загадок.
Исследование в журнале Physical Review Fluids.