elemeket
absztrakt
A prémes tengeri teknősökről (Dermochelys coriacea) köztudottan kiváló búvárkodási képességük van, és nagyon alkalmazkodnak a nyílt tengeri úszáshoz. Öt hosszanti gerinc van a páncéljukon. Bár azt gondolták, hogy ezek a gerincek alkalmazkodhatnak az áramlásszabályozáshoz, hidrodinamikai feladataik megértésére nem végeztek szigorú tanulmányt. Itt megmutattuk, hogy ezek a gerincek kissé rosszul illeszkednek a test körüli áramokhoz, hogy áramörvényeket hozzanak létre, és elnyomják vagy késleltessék a páncélba áramló áramlás elválasztását, ami megnövekedett hidrodinamikai teljesítményt eredményez a különböző úszási szokások során. Eredményeink azt sugallják, hogy az élőlények egyes morfológiai jellemzőinek alakjai, például a bőr teknősök hosszanti gerincei, nem egyszerűsíthetők a kiváló hidro- vagy aerodinamikai teljesítmény érdekében, ellentétben általános fizikai megérzéseinkkel.
A bőr teknősbúvárkodás sorrendje V-alakú merülésre, U-alakú merülésre és víz alatti úszásra oszlik a 3., 5., 21., 22. búvárprofil alakja szerint (lásd például az S1. Kiegészítő ábrát). ). A legeltetéshez és az átszállításhoz használt V alakú merülés a felnőtt bőr teknős teknősök tipikus merülési mintázata 3, 5, 21, 22. A lélegzetet visszatartó búvároknak, például a bőr teknősöknek nincs felhajtóerő-szabályozó testük, ezért a mély vízben negatív felhajtó képességet tapasztalnak, mivel a tüdő levegőjét a víznyomás 5, 23 összenyomja. Ez a negatív felhajtóerő lehetővé teszi a búvárkodást, így lefelé úszásuk nagyrészt energiatakarékos lehet 5, 23. Ezzel szemben a negatív felhajtóerő leküzdése érdekében az emelkedő időszakban aktívan kell lebegniük a nagy dőlésszögeken (vagy nagy támadási szögeken). Ezért a hidrodinamikai teljesítmény emelkedő úszási körülmények között, pozitív támadási szögekben energetikailag fontos lehet a teknősök számára.
Másrészt a fiatalkorú vagy fiatalkorú bőrteknősök nem merülhetnek olyan mélyen, mint a felnőttek, mert az oxigéntároláshoz szükséges kis szövetmennyiség és a 24, 25 súlyra jellemző magas anyagcsere arány miatt sokáig nem tudják visszatartani a levegőt. A fiatalok főleg sekély vízben úsznak 25. Úszási szokásaik a vízfelszín melletti rutinúszásra (lassú) és a víz alatti intenzív úszásra (gyors és magas energiafogyasztásra) oszlanak 26. Az intenzív úszás azért fontos a keltetők számára, mert eszközt nyújt a pozitív felhajtóerő leküzdésére és a 26, 27 ragadozók elől való menekülésre. Ezért az intenzív úszás (nagy negatív megközelítési szögben történő úszás) hidrodinamikai jellemzőit is figyelembe kell venni annak érdekében, hogy teljes mértékben megértsük a hosszanti gerincek feladatait.
Ebben a tanulmányban felépítettük a hosszúkás gerincekkel rendelkező és anélküli bőr teknősök carapace modelljeit, és erő- és sebességméréseket hajtottunk végre a hegygerincek hidrodinamikai feladatainak vizsgálatára a bőr teknős úszásának különböző módjaiban. A szélcsatornás kísérletek modelljét a párnázott műbőrre vonatkozó geometriai információk alapján építették a Koreai Daejeon Nemzeti Tudományos Múzeumban. A gerincek húzó- és emelőerőkre gyakorolt hatásának, valamint a test közelében folyó áramlásnak a megértése érdekében létrehoztunk egy modellt is a páncélból, amely nem rendelkezik gerincekkel, de matematikai úton ugyanazokkal a frontális (A f) és sík alakú (A p) felületekkel (1. ábra) rendelkezik. a geometriák közelítései (a részleteket a módszer tartalmazza (Carapace modellek) és további S2 ábra).
a) Töltött bőr teknős 3D-s szkenneléshez és a (bal) és a (jobb) gerinc nélküli páncélos modellek perspektivikus nézetéhez. b) A páncélmodellek jellegzetes hosszai és területei.
Teljes méretű kép
Szélcsatornás tesztek sorozatát végeztük a húzó- és emelőerők mérésére gerincekkel ellátott és gerinc nélküli modelleken (a részletes beállításokat lásd a módszerekben (erőmérés) és az S4 kiegészítő ábrában). A figyelembe vett Reynolds-számok Re = 0, 2–1, 2 × 10 6 voltak (az egyes modellek l testhossza alapján), különböző támadási szögekkel α = −22 ° és 22 ° között. Ezek a Re és α tartományok tartalmazzák a teknősök és a felnőtt teknősök úszási körülményeit (S1c. Kiegészítő ábra). Figyelembe vettük az α = −22 ° és 18 ° nem null forgási szögeit is, és mértük az oldalirányú erőket (S4. Ábra).
A 2a. Ábra mutatja a tolóerő és a löket együtthatóinak (Cd és CL; lásd meghatározásaik módszereit (erőmérés) és a löket/tolóerő arány (L/D) változását a támadási szögektől (a) és a Reynolds-számtól függően. (Újra). Ez az ábra a hegygerincek két jelentős hidrodinamikai problémáját mutatja be. Először is, a gerincek jelentősen csökkentik az ellenállást, és a negatív löketet negatív vagy nulla közeli támadási szögben is csökkentik. Különösen alacsony Reynolds-szám esetén az ellenállás 32% -kal csökken α = −18 ° -nál (2b. Ábra). Intenzív úszás közben a teknősök lefelé/farkkal veszik fel a nemességet, amelynél a test hajlásszöge körülbelül −22 ° 26. Ennél a nagy negatív támadási szögnél a húzás nagy, a löket pedig negatív (ahogy a 2a. Ábra mutatja). Eredményeink arra utalnak, hogy a gerincek csökkentik ezt a nagy húzóerőt, amely akkor következik be, amikor a keltetők hirtelen úsznak.
a) Az ellenállási együtthatók (C D) és a löket (C L), valamint az emelési és húzási arány (L/D) változásai a modelltől függően (teljes szimbólumokkal) és (nyitott szimbólumok) nélkül. támadási szögek (α) és Reynolds-számok (Re). Itt vannak három reprezentatív Reynolds-szám eredményei, a hibasávok pedig az ismétlődő erőmérési hibát jelzik. b) A Cd, CL és L/D gerincek variációi. AC D = CD gerincekkel - Itt meghatározzuk a gerinc nélküli Cd-t és az AC L és AL/D-t. Az ezen a ábrán látható fehér pontok jelzik azokat a pontokat, ahol a kísérleteket elvégezték.
Teljes méretű kép
Másrészt az energikusan lebegő fiatalok az uszonyok nagy, szabályos mozgását mutatják, ami egyenetlen úszási sebességet eredményez 26. Az úszási sebesség 0, 738–1, 714 m/s (3, 1–7, 2 ls –1) 26 23,8 cm testhossz (l) esetén, amelynek megfelelő Reynolds-számai Re = 1, 9 –4, 4 × 10 5. Ezeknél a Reynolds-számoknál és α = −22 ° -nál a hosszanti gerincek csökkentik a tolóerőt és növelik a löketet (2b. Ábra), jelezve, hogy a gerincek hidrodinamikai tulajdonságai továbbra is fennmaradnak az uszony mozgása során.
Sebességméréseket hajtottunk végre DPIV alkalmazásával, hogy megvizsgáljuk az áramlási struktúrák hosszanti gerincekkel történő módosulásait. A méréseket két körülmények között hajtották végre, a = −22 ° és Re = 2 x 105, a = 18 ° és Re = 5 × 105, amelyek jellemzőek az intenzív keltetői úszásra és az aktív felmenő felnőtt úszásra (lásd: Módszerek (áramlásmérések) ) és további S5 kép a kísérleti beállításhoz).
( a ) Az időre átlagolt áramsebességek (ū) és sebességvektorok kontúrjai négy helyzetben (1 és 4 között) a (felső panel) és (alsó panel) gerinc nélküli eseteknél. A folytonos fekete vonalak ezen az ábrán az ū = 0. területeket jelzik. A fekete területek azokat a területeket jelölik, ahol a sebességet a modell felületi és árnyékvisszaverődése miatt nem mérték. ( b ) A pillanatnyi áramú örvényvektorok és sebességvektorok kontúrjai négy áramhelyen (x 1 - x 4) a (bal oldali és a jobb oldali panel) gerinc nélküli esetekhez. ( c ) Az áram létrehozásának és késleltetésnek a gerincekkel történő elválasztása.
Teljes méretű kép
a ) A felületi olaj vizualizálása modelleken (felső panel) és (alsó panel) gerincekkel. A piros folytonos és szaggatott vonalak jelzik az áramlás elválasztását és az újracsatlakozás helyét a modell elején. ( b ) Időben átlagolt áramsebesség-vektorok és sebességvektorok kontúrjai két helyzetben a (bal oldali és jobb oldali panel) gerinc nélküli modellek hátoldalán. A folytonos fekete vonalak olyan helyeket jeleznek, ahol az átlagolt áramsebesség nulla. Elválasztó sorok itt: b ) (felső panel) ábrázoljuk a tartomány tizenegy helyzetében mért sebességmezőkből, és részletes információkat az S6. ( c) Pillanatnyi áramvorticitási vektorok és sebességvektorok kontúrjai négy áramhelyzeten a (bal oldali és a jobb oldali panel) gerinc nélküli modelleken.
Teljes méretű kép
Mivel a modell elülső részén van egy elválasztó buborék az aktív felfelé úszáshoz, egy teknősfej jelenléte befolyásolhatja az elülső felület feletti áramlást. Korábbi megfigyelések szerint a fej és a bőr teknős testének szöge a 26, 37 úszás során nem változik jelentősen. Ezért más karabiner modelleket terveztünk, beleértve a fejrészt is, a műbőr teknős fejének beolvasásával (kiegészítő S3 kép), valamint a húzó- és emelőerők mérésével. Magas támadási szög és magas Re állapot esetén, amely a felnőttek aktív felfelé úszását jelenti, a gerincek még a fej jelenlétében is javítják a felhajtóerőt (9,3%) és a felhajtóerő és a tolóerő arányát (5,2%) (lásd a Kiegészítést Ábra S7a). Másrészt negatív támadási szög és alacsony Re állapot esetén, amely a fiatalok éles fürdését jelenti, a gerincek jelentősen csökkentik az ellenállást (akár 22%) és növelik a stroke-ot (akár 23,3%). (Kiegészítő 1. ábra). S7b). Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a fejrész jelenléte nem változtatja meg a gerincek hidrodinamikai szerepét az intenzív és aktív felfelé úszáshoz.
Óceánáram jelenlétében vagy a teknős forgása közben az úszás iránya nem esik egybe a szabadáram irányával. Ennek a hatásnak a vizsgálatához megmérjük a húzó-, a löket- és az oldalsó erőket azáltal, hogy az intenzív és aktív felfelé úszáshoz a forgásszöget γ = 0 ° -ról 30 ° -ra változtatjuk (S4. Kiegészítő ábra), és ezek variációit bemutatjuk. Α = −22 o és Re = 2 × 10 5 (intenzív keltetőúszás; 5a. Ábra) esetén a gerincek csökkentik a tolóerőt és növelik a löketet γ = 0 ° és 30 ° között. Az oldalirányú erő a forgásszög növekedésével gyorsan növekszik. A gerincek nagyobb forgásszögnél 30 ° -kal növelik az oldalsó erőt, bár alacsony forgási szögeknél nem sokat változtatnak rajta. Α = 18 o és Re = 5 x 105 (felnőttek aktív emelkedő úszása; 5b. Ábra) esetén a gerincek növelik az emelést, valamint az emelés és húzás arányát. Másrészt az oldalirányú erő nagyon eltérő viselkedést mutat: azaz gerincek nélkül az oldalirányú erő negatívvá válik alacsony forgásszögeknél, majd pozitívvá válik nagy 30 ° -os forgásszögnél, míg a gerinczel növekszik a növekvő szöggel a forgás. Ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy ha a forgásszög nem túl nagy, a hosszanti gerincek hidrodinamikai problémái a löket, az ellenállás és arányuk szempontjából továbbra is hasonlóak a nulla forgásszögűekhez.
a ) Intenzív keltetői úszás. b ) Felnőttek aktív emelkedő úszása.
Teljes méretű kép
A műbőr teknősöknek íves páncélja van, míg más, szilárd felületű szilárd teknősöknek viszonylag lapos körök vannak. Az ívelt felületen folyó áramlás jellemzően erősebb kedvezőtlen nyomásgradienssel járhat, amelyet 38 áramláselválasztás követ. Ezért a többi tengeri teknőstől eltérően a teknősök nagyobb valószínűséggel tömegesen választják el az áramlást a páncéljukon, ezért minden eszköznek, amely elősegíti az elválasztási késleltetést, hasznosabbnak kell lennie az úszáshoz, mint más, meglehetősen lapos páncélzatú teknősöknek. Ezen túlmenően, ellentétben az V alakú búvár teknősökkel, más tengeri teknősökről (Chelonia mydas, Caretta caretta) általában ismert, hogy ott úsznak, ahol semleges felhajtóerő érhető el, és ezért életük során nem tapasztalhatnak negatív felhajtást. úszás 31, 33. Ezért a felvonó javítása V alakú búvárgerincekkel nem feltétlenül szükséges más tengeri teknősök úszásakor.
mód
Carapace modellek
A koreai Daejeon Nemzeti Tudományos Múzeumban egy kitöltött teknős (páncél hossza 1,2 m, felnőtt) pásztázásával kapott háromdimenziós felületi adatok alapján karapác modellt készítettünk (S2 kiegészítő ábra). Korábbi megfigyelések szerint a teknősök viszonylag szűk mozgástartományúak a nyak területén, így a fejük nem csökken jelentősen 26, 37 úszáskor. Ami az elülső uszonyokat illeti, a bőr teknősök csak a 39, 40 szinkron folyamat során mutatnak szinkron szárnyakat. Emiatt feltételeztük, hogy a fej és az uszonyok mozgása nem befolyásolja jelentősen a páncél közelében folyó áramlást, ezért a páncélmodell felépítése során megszüntettük a fej és a végtag egyes részeit.
A $ config [ads_text16] nem található
A páncélmodellt úgy alakították ki, hogy alakja hasonló legyen egy kitömött teknős testéhez. Először megmértük a kitömött teknős közepén lévő hosszanti gerinc profilját (z = 0), és egy sima gerincprofilt kaptunk a legkisebb négyzetek módszerével, 8-szoros polinomokon alapulva.,
ahol a páncél ferde széle volt elhelyezve (lásd a további S2 ábrát).
A körmodell felső felületét az áramlás irányában három részre osztották:, ill. mert a páncélnak három görbült felülete van ferde irányban a gerincek miatt (S2b kiegészítő ábra), ezért mindegyik felületet ötszörös polinomokon alapuló legkisebb négyzet módszerrel modellezték:
mert a kitömött teknős test alakját követő ellipszis segítségével sima felületet alakítottunk ki gerincek nélkül:
a páncél felületi alakjához egy sima felületből görbült felületet alakítottunk ki a következő két felület közötti súlyozási tényező alkalmazásával:
Itt először az Eq. (2), majd az a,
A kitömött teknős alsó felületét ellipszis segítségével modelleztük:
Amint azt ebben a cikkben látjuk, megfigyelhetjük, hogy az aktív kijárási úszási módban a páncél felületének elülső részében (4. ábra) van egy elválasztó buborék. Ezért készítettünk egy újabb karabiner modell-készletet, beleértve a fejrészt is, a műbőr teknős fejének beolvasásával (S3.
A páncélmodell (l) hossza 400 mm volt, ami a töltött teknőspáncél ízületének 1/3-a. Létrehoztunk egy gerinc nélküli karapác modellt is (például egy sima felületű modellt) összehasonlítás céljából, hogy az elülső (A f) és a sík alakú (A p) felületek megegyezzenek a gerinc modellben. Elemzésünk során azt is feltételeztük, hogy a kölykök és a felnőttek geometriai szempontból hasonlóak 41. Ezért ugyanazokat a körmodelleket használtuk a gerincek hidrodinamikai problémáinak vizsgálatára különböző úszási rendszerek számára mind fiatalok, mind felnőttek számára, bár a jelenlegi páncélmodelleket egy felnőtt teknős geometriai információiból hoztuk létre.
Erőmérés
Óceánáram jelenlétében vagy a teknős forgása közben az úszás iránya nem esik egybe a szabadáram irányával. Ezt a hatást a szögszög (y) figyelembevételével vizsgáltuk, amint az a 3. ábrán látható. Nem null γ esetén a húzó- és emelőerők mellett oldalirányú erőket is mértünk.
Áramlási mező mérések
További részletek
Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Bang, K. és mtsai. A hosszanti hátgerincek hidrodinamikai szerepe egy bőrhátú teknős úszásában. Sci. ismétlés . 6., 34283; doi: 10.1038/srep34283 (2016).