Per anni, B.Ubbo Felderhof, un professore presso l'Istituto di Fisica Teorica presso l'Università tedesca RWTH Aachen, ha esplorato i meccanismi su cui i pesci e i microrganismi fanno affidamento per azionarsi. Gli uccelli e gli insetti in volo affrontano sfide simili spingendosi, ma senza il lusso della galleggiabilità queste creature lottano anche con il superamento della gravità per rimanere in alto.

Più di 20 anni fa, Felderhof stava studiando la teoria alla base del "nuoto" dei microrganismi, descritto dalle interazioni di attrito tra i microrganismi e il loro fluido circostante. A causa della piccola massa di molti di questi microrganismi come i batteri, tali forze d'inerzia potrebbero essere trascurate nella descrizione. Per organismi leggermente più grandi, però, Questo non era il caso.

Da allora Felderhof ha creato modelli meccanici per sviluppare più pienamente la teoria, costituito da catene lineari di sfere collegate da molle e immerse nel fluido. Qui ha tenuto conto che l'interazione con il fluido coinvolge sia l'attrito che l'inerzia, poiché l'effetto della massa non può essere trascurato per queste strutture più grandi.

Come ora riporta Felderhof in Fisica dei fluidi , ha solo spinto ulteriormente questo lavoro affrontando ciò che accade nel caso in cui si aggiunge una sfera alla catena che è molto più grande delle altre sfere.

Felderhof studia le strutture delle sfere perché è abbastanza noto l'effetto dell'attrito e dell'inerzia del fluido sul moto di una singola sfera. Con più sfere, però, il quadro è più complesso e deve tenere conto di posizioni e orientamenti. "Per diversi ambiti, c'è la complicazione delle interazioni idrodinamiche dovute all'interferenza dei modelli di flusso, " ha detto. "Queste interazioni idrodinamiche dipendono dalle posizioni relative dei centri della sfera".

Se le posizioni relative delle sfere vengono variate periodicamente applicando una forza oscillante su ciascuna di esse, con il vincolo che la forza totale netta svanisca in qualsiasi momento, il sistema vede ancora il movimento. "Nonostante quest'ultimo vincolo, l'insieme delle sfere in generale compie un moto netto, che si chiama "nuoto, '", ha detto Felderhof.

Una formulazione matematica consente di trovare la corsa ottimale, le forze applicate combinate, che producono la velocità media massima per una data potenza.

Per questo nuovo lavoro, Felderhof ha esplorato una catena lineare di sfere con una grande, sfera passiva, il che significa che la forza applicata su quella sfera svanisce. "La grande sfera si chiama 'carico, '", ha detto. "Pensalo come un grande corpo con piccole appendici mobili, o di una barca spinta o trainata da una piccola elica."

Il suo lavoro fornisce un importante chiarimento concettuale della teoria del flusso. "Nelle spiegazioni popolari del nuoto e del volo, ci è stato detto che la velocità è raggiunta da un equilibrio di spinta e resistenza, " Felderhof ha detto. "I miei calcoli modello, però, mostra che la spinta media e la resistenza svaniscono entrambe quando mediate su un periodo. L'effetto è più sottile. Le interazioni tra corpo e fluido sono tali che le deformazioni periodiche della forma del corpo portano a un movimento netto relativo al fluido, anche se la spinta netta svanisce."

Gran parte del lavoro precedente sul nuoto si è concentrato sul limite dominato dall'attrito, valido per i microrganismi, o sul limite dominato dall'inerzia, valido per animali di grossa taglia. "Nel mio modello, sia l'attrito che l'inerzia giocano un ruolo in modo che il nuoto possa essere studiato nel regime intermedio, dove entrambi gli effetti sono importanti, " Egli ha detto.

In termini di applicazioni, il modello di catena lineare da nuoto è particolarmente utile per la sua struttura snella e la capacità di viaggiare attraverso tubi stretti, tali vene umane.

"I biologi hanno già preso in considerazione la possibilità di trasporto di farmaci attraverso tali mezzi, " Ha detto Felderhof. "E ora abbiamo sviluppato un modello matematico che consente l'ottimizzazione delle deformazioni del corpo, che porta alla velocità massima per una data potenza. Questo metodo non è limitato alle catene lineari, quindi possiamo immaginare di applicarlo a strutture più complicate nel lavoro futuro."

Primo, Felderhof sottolinea che è importante validare il modello attraverso il confronto con simulazioni al computer e successivi esperimenti, che è al di là della sua attenzione, quindi spera che altri ricercatori lo perseguiranno.

"Attrito e inerzia non sono gli unici effetti che possono portare al nuoto, " Ha detto Felderhof. "Lo sbattimento porta allo spargimento di vortici e forse a una 'strada' di vortici. Questo effetto è assente dal mio modello, ma può essere essenziale per il nuoto di alcuni pesci e per gli uccelli in volo. Sarà utile stabilire l'importanza relativa dell'attrito, inerzia, e spargimento di vortici, ma al momento non vedo come ciò possa essere realizzato nella teoria analitica. Ancora, la simulazione al computer sarebbe utile."