• Sunday April 21,2019

Das Geheimnis der Delfinschwimmgeschwindigkeit

Der Abschnitt „Danksagungen“ einer wissenschaftlichen Arbeit ist in der Regel ein gutes Mittel gegen Schlaflosigkeit - nur eine Liste mit Namen von kooperierenden Wissenschaftlern und Finanzierungsstellen. Was unternimmt das US-amerikanische Nationalmannschaftsteam für die Anerkennung eines neuen Artikels über Delfine?

Es stellte sich heraus, dass unser Schwimm-Team die Antwort auf eines der ältesten Rätsel der Meeresbiologie gehalten hat - wie Delphine mit begrenzter Muskelkraft so schnell schwimmen.

Das Problem geht auf das Jahr 1936 zurück, als Sir James Gray einen Delphin beobachtete, der um 22.4 Meilen pro Stunde um ein Boot herum schwamm (Anmerkung: das ist schnell nach Wasser). Gray benutzte ein einfaches hydrodynamisches Modell und das, was er über die Größe und Kraft des Delfins wusste, und schlussfolgerte, dass es dem Delphin unmöglich wäre, sich ohne fließende Mechanik zu bewegen, wie etwa eine spezielle Technik, um den Wasserfluss zu verändern und reduzieren Sie den Luftwiderstand. Darin lag das, was als "Graus-Paradoxon" bekannt wurde - kurz, den gleichen Trainer wie Alex Rodriguez zu haben. Wie konnten sich Delfine mit dieser Geschwindigkeit bewegen?

Auf dem Höhepunkt des Kalten Krieges gab ein deutscher Wissenschaftler namens Max Kramer an, das Rätsel gelöst zu haben. Durch das Abdecken eines Torpedos mit simulierter Delphinhaut aus einer Gummimembran, die mit viskoser Flüssigkeit unterlegt ist, demonstrierte er, dass ein Delphin (oder zumindest ein Torpedo, der wie einer gekleidet ist) den Wasserfluss genau so verändern kann, wie Gray es sich vorgestellt hatte die Tiere erreichen ihre beobachteten Geschwindigkeiten.

Die Amerikaner und Sowjets nahmen dies zur Kenntnis. Nicht so sehr für Flipper, sondern um andere längliche Objekte zu entwerfen, die durch Wasser rasen könnten, nämlich U-Boote und Raketen. Es stellte sich heraus, dass die Amerikaner nicht in der Lage waren, Kramers Werk zu kopieren, und während die Sowjets Behauptungen aufstellten, sind bisher keine soliden Beweise für ihren Erfolg aufgetaucht.

Ein Fisch namens Frank

Und so blieb das Paradoxon bestehen. Bis zu diesem Monat gab ein Wissenschaftler namens Frank E. Fish eine Antwort bekannt. (Richtiger Name, wir versprechen.)

Fish, ein Meeresbiologe an der West Chester University und der Hauptautor der neuen Studie im Journal of Experimental Biology, suchte schon lange nach einem Weg, den Schub und damit die Kraft eines schwimmenden Delfins direkt zu messen. Ein Delphin treibt sich vorwärts, indem er seinen Schwanz mit seinen seitlichen Flusen bewegt, während seine Flossen lenken. Die Flukes drücken auf das umgebende Wasser, und das Wasser drückt zurück und erzeugt Schub.

Laut Fish konzentrierten sich die meisten frühen Versuche, den Schub zu messen, auf die Abschätzung des Widerstandes, da sich die beiden für einen Körper mit konstanter Geschwindigkeit gleich sind (Newtons dritter Satz). Solche Experimente basierten jedoch häufig darauf, einen statischen Körper durch Wasser zu ziehen, und erlangten daher die Kräfte bei der Arbeit nicht vollständig, wenn sich ein Objekt aktiv durch das Wasser bewegt, wie es ein Delphin beim Schwimmen tut.

„Anfang der 90er Jahre habe ich beschlossen, mir keine Sorgen um den Widerstand zu machen“, sagte Fish. Stattdessen konzentrierte er sich auf verbesserte hydrodynamische Modelle, bei denen die Flexibilität der Flossen berücksichtigt wurde, um den Schub direkter zu messen.

Doch bis zur Entwicklung einer Technik namens Particle Image Velocimetry (PIV) sah Fish echte Hoffnung. Bei dieser Technik, die zur Messung der von schwimmenden Fischen ausgeübten Kräfte verwendet wird, verfolgt eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera die Bewegung von kleinen Glasperlen, die in einen Tank fallen und von einem Laser beleuchtet werden. Durch die Verfolgung der Bewegung der Perlen durch das Wasser, während der Fisch seine Flossen oder den Schwanz schlägt, könnten die Forscher die Geschwindigkeit der Perlen berechnen und dann den Schub des Fischs zurückberechnen. Es zeigte Versprechen.

Kleine Blasen

Aber es gab einen Haken.

"Delfine sind eher verwöhnte Tiere", sagte Fish.

„Niemand wird es dir erlauben, kleine Glasperlen zu nehmen und sie mit Delphinen in ein Aquarium zu legen. Niemand wird Sie auch mit Laserstrahlen bestrahlen lassen “, sagte er.

In der Tat gibt es das Meeressäugetier-Schutzgesetz und andere derartige Gesetze aus guten Gründen.

Zu dieser Zeit bekam Fish jedoch eine Inspiration von einer ungewöhnlichen Quelle. Bei einer Konferenz zu Maschinenbau in Princeton traf Fish auf Tim Wei, einen Ingenieur, der einige seiner Forschungsarbeiten zur Hydrodynamik von Wettkampfschwimmern vorstellte.

"Tim hatte das gleiche Problem", erklärte Fish. "Er hatte auch Tiere verwöhnt, außer dass seine verwöhnten Tiere olympische Schwimmer waren."

Wei hatte eine Modifikation von PIV entwickelt, um den US-Schwimmtrainern dabei zu helfen, die einzelnen Schläge und Bewegungen ihrer Athleten abzubauen. Durch die Verwendung von Blasen und natürlichem Licht anstelle von Glasperlen und Lasern konnte Wei menschlich testen. Fish wusste, dass er eine Antwort hatte.

Primo Donna

Als er sich zusammen mit Paul Legac, einem Absolventen der Universität, machte, ging Fish zu UC Santa Cruz, wo sein Kumpel Terrie Williams zwei große Tümmler hatte, Primo und Puka, die als Testpersonen dienen konnten.

Das Team kaufte einen Tränkschlauch, in dem Wasser aus mehreren winzigen Poren austritt, und platzierte es am Boden eines Beckens. Sie pumpten Druckluft durch den Schlauch und bildeten einen Vorhang aus winzigen Blasen. Die Trainer wiesen Primo und Puka an, durch den Vorhang zu schwimmen, während eine Videokamera den Ort und die Bewegung der Blasen aufzeichnete. Von da aus war es einfach, den Schub der Delfine zu berechnen.

Obwohl sie nur eine Geschwindigkeit von 8, 3 km / h erreichten, übten die Delfine 5, 4 Kilowatt Leistung aus, mehr als genug, um ihre Höchstgeschwindigkeit zu erklären, ohne einen hydrodynamischen Houdini auszulösen (und die von Gray untersuchte Höchstgeschwindigkeit von 22, 4 Meilen pro Stunde könnte nach der Beobachtung eine bemerkenswerte Beobachtung gewesen sein Alle, wie Fish sagte, der Delphin habe die Bugwelle des Bootes eher gefahren, als sich von alleine zu bewegen.

Die Erkenntnisse von Fish deuten darauf hin, dass Greys Paradoxie kein Paradoxon ist, da Delfine über genügend Kraft und Muskulatur verfügen, um ihre Geschwindigkeit zu erklären. Dies steht im Einklang mit anderen Arbeiten von Tom Lang, einem ehemaligen Navy-Forscher, der zu ähnlichen Ergebnissen kam.

Nun, da das erledigt ist, denkt Fish größer.

Mit dieser Technik "sind wir nicht auf die Größe beschränkt", sagte Fish. "Warum versuchst du es nicht bei einem Wal?"

Sprechen Sie über einen großen Fisch in einem kleinen Teich.

Mit freundlicher Genehmigung von Figen Ciftci / Shutterstock


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