La struttura della scia lasciata da un delfino che nuota prodotta utilizzando un framework numerico del metodo dell'elemento di confine veloce interno. È una vista dall'alto verso il basso della struttura della scia. Il risultato è stato prodotto da Fatma Ayancik, un dottorando alla Lehigh University, ed è parte dei suoi risultati che esaminano le prestazioni propulsive di delfini e balene. L'obiettivo è scoprire la scienza alla base della produzione della prossima generazione di sistemi subacquei senza equipaggio che siano di ispirazione biologica. Questo lavoro è finanziato attraverso l'Office of Naval Research (ONR) su un programma Multi-disciplinary University Research Initiative (MURI). Come tale, questo è un progetto in collaborazione con l'Università della Virginia, Università di West Chester, Università di Princeton e Università di Harvard. Credito:Christa Neu, Comunicazione e affari pubblici della Lehigh University
È facile ipotizzare perché i pesci possano nuotare nei banchi:una migliore protezione dai predatori, migliore capacità di foraggiamento, comunicazione più facile da pesce a pesce. Ancora, nessuno di questi rivela perché i pesci potrebbero muoversi insieme secondo uno schema specifico.
La ricerca sull'energia dei banchi di pesci offre dati controintuitivi:i modelli di gruppo non massimizzano necessariamente l'uso di energia.
Allora perché lo fanno? Professore assistente di ingegneria meccanica e meccanica, Keith attraccato, ritiene che siano all'opera forze mediate dai fluidi. Infatti, la sua ricerca precedente ha indicato la sua verosimiglianza.
"La formazione 3D creata da un gruppo di pesci è simile agli atomi che vengono trascinati da forze in una struttura reticolare, " dice Ormeggiato.
L'acquisizione di una comprensione completa di queste interazioni collettive potrebbe aiutare gli scienziati a determinare quanto siano fragili le reti biologiche rispetto alla pesca eccessiva, perdita di habitat e cambiamento climatico. Potrebbe anche aprire la porta allo sviluppo di scuole di tecnologie bio-ispirate.
Attualmente, veicoli subacquei senza equipaggio sono utilizzati per assistere nella pesca commerciale, per la raccolta di campioni d'acqua, nelle operazioni di ricerca e soccorso e per scopi militari.
Nel futuro, dice Ormeggiato, invece di uno solo, è probabile che un gruppo di dispositivi venga inviato sott'acqua per eseguire una serie di compiti poiché questo approccio collettivo è molto più efficiente. Ma ci sono ostacoli.
"La chiave per fare un passo avanti nella progettazione di collettivi ad alte prestazioni di dispositivi di ispirazione biologica è comprendere la meccanica fluida fondamentale delle interazioni collettive, " dice Moored. "Ma in questo momento non abbiamo una conoscenza approfondita della dinamica dei fluidi tra i pesci nei banchi".
Moored ha ricevuto un premio alla carriera della National Science Foundation (NSF) per esplorare questa promettente area di indagine. Utilizzerà i fondi per acquisire una migliore comprensione dei meccanismi di flusso che si verificano tra instabili (a causa di alette oscillanti), corpi interagenti tridimensionali in disposizioni complesse.
In definitiva il suo lavoro potrebbe rispondere alla domanda:cosa possono prendere in prestito gli scienziati dalla natura per realizzare squadre di veicoli acquatici ottimizzati per il movimento subacqueo come i pesci che nuotano in una scuola?
Trasformare la nostra comprensione della scuola
Uno dei primi obiettivi di Moored è quello di caratterizzare le forze, energetica e fisica dei flussi della locomozione collettiva per vari assetti tipici della locomozione animale.
Con una vasta esperienza nello sviluppo di strutture per prove fluidodinamiche, utilizzerà una galleria del vento a bassa velocità e due ali beccheggianti, modelli di ali che possono imitare le oscillazioni della coda di un pesce. Le ali saranno disposte in varie configurazioni e soggette a una serie di condizioni di flusso.
Moored caratterizzerà i campi di flusso tra le ali di beccheggio interagenti utilizzando un sistema di velocimetria a immagine di particelle stereoscopiche progettato per ottenere misurazioni istantanee della velocità e proprietà correlate nei fluidi. Utilizzerà anche un sensore di forza e coppia a sei assi che può eseguire sei misurazioni simultanee.
"Essenzialmente, io e la mia squadra collegheremo il sensore al modello di ala di lancio e rileverà tutte le forze che agiscono sull'ala, compresa la spinta e la resistenza, " dice Ormeggiato.
Questi studi di quantificazione costituiranno la prima volta che misurazioni così dettagliate delle forze, energetica e campi di flusso di corpi interagenti che producono spinta tridimensionale in tali disposizioni complesse sono stati assemblati.
Sbloccare un mistero strutturale
Utilizzando gli stessi esperimenti, Moored esaminerà anche la sua ipotesi che le disposizioni reticolari osservate nelle disposizioni scolastiche in natura possano essere dovute a forze mediate dai fluidi.
In lavori precedentemente pubblicati, Ormeggiato ha dimostrato che esiste una distanza di equilibrio stabile, uno stato in cui un corpo tende a tornare alla sua posizione originale dopo essere stato disturbato, tra due modelli di ala beccheggiante interagenti in una disposizione affiancata. Ha scoperto che l'equilibrio era stabile per i disturbi del flusso d'aria o d'acqua nella direzione del flusso incrociato.
"Se un nuotatore si allontanasse dall'altro, una forza mediata dal fluido li tirerebbe indietro insieme e viceversa, " dice Ormeggiato.
Sondando variazioni di posizione determinerà se la posizione da lui precedentemente identificata o altre simili sono equilibri veramente stabili in tre dimensioni.
Una tale mappa di forza potrebbe trasformare la comprensione da parte degli scienziati del comportamento scolastico, un passo importante verso una comprensione più completa dei comportamenti di gruppo in biologia e un importante sviluppo nella progettazione di veicoli sottomarini ispirati alla natura.
