在复杂的水下环境中游泳,鱼类在运动控制和灵活性方面是无与伦比的。几十年来,研究人员一直受到启发,模仿大自然中最有天赋的游泳者,以优化水下航行器的推进力和机动性。
虽然在鱼类力学中,尾巴或尾鳍的运动与水环境的瞬态形状和运动之间的关系是众所周知的,但很少有人关注压力场如何影响推力的产生和控制以推动鱼类。
在流体物理学中国哈尔滨工程大学的研究人员表明,鱼类通过精确控制身体波动,产生可移动的高压和低压区域涡对,使它们能够游泳。研究结果为高性能水下仿生螺旋桨柔性结构的设计提供了基础。
研究人员使用粒子图像测速仪和高速摄像机来分析斑马鱼在水箱中的自发游泳。当鱼将尾鳍(附在脊柱上)弯曲到一侧时,它会加速,然后当鱼伸直身体时,它会恢复到中性位置。在完成单尾摆动的过程中,研究人员发现在尾迹处形成了两个相反方向旋转的漩涡核心。
这些岩心在鱼的两侧构成了低压和高压区域。研究人员发现,低压区产生的拉力和高压区产生的推力共同提供了斑马鱼的推进力。
这些高、低压区域的运动共同促进了流体质量的向后加速,同时在尾鳍尖端向外推动流体。当鱼体呈j形时,高压区滑向尾鳍后部,低压区滑向尾鳍前部。
尾鳍利用低压区将流体推向身体,并在尾鳍上产生垂直向上的拉力,高压区在尾鳍顶部将流体推开,并在尾鳍上产生向上的推力,重复这一过程使斑马鱼能够连续移动。
“整个斑马鱼在游泳过程中被认为是一个体波,”合著者杨涵说。“无论它们是加速前进还是改变方向,鱼从运动开始就在身体的所有点保持波浪形运动。”
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