Nuotatori e volatori possono essere scomposti in parti che producono spinta (arancione) e che producono resistenza (blu), con il propulsore opportunamente rappresentato da un profilo alare oscillante. Credito:(c) Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2018). DOI:10.1073/pnas.1805941115
Gli animali che nuotano e volano sono adattati in modo ottimale per la crociera attraverso i loro ambienti, producendo spinta tramite propulsori:ali per gli uccelli e pinne caudali per i pesci. Nel corso di milioni di anni, la morfologia di questi animali si è evoluta per la massima efficienza di crociera, e circa 30 anni fa, i ricercatori hanno proposto che la maggior parte dei nuotatori navighi all'interno di una gamma ristretta di numeri di Strouhal:questi sono numeri adimensionali che descrivono il flusso oscillante. E più recentemente, i ricercatori hanno determinato che gli animali volanti viaggiano nella stessa gamma di numeri di Strouhal.
Nello specifico, per animali che nuotano e volano, il numero di Strouhal è definito come St=f / U*A, dove f è la frequenza di oscillazione, U è la portata, e A è l'ampiezza dell'oscillazione. E la ristretta gamma di numeri di Strouhal in cui nuotano e volano in crociera è 0.2
OK. Allora perché questa gamma ristretta di numeri è la più efficiente? Daniel Florian, Tyler Van Buren e Alexander J. Smits, ingegneri meccanici alla Princeton University, ha condotto uno studio sull'efficienza degli animali che nuotano e volano per rispondere a questa domanda.
Hanno usato un setup sperimentale derivato da studi precedenti, che consisteva in un profilo alare in un tunnel d'acqua. Il profilo aerodinamico ha compiuto movimenti di sollevamento e beccheggio biologicamente rilevanti che sono stati misurati da codificatori. I ricercatori hanno eseguito esperimenti su tutte le possibili combinazioni di parametri cinetici e hanno analizzato matematicamente i dati risultanti.
Poiché la resistenza non può mai essere completamente eliminata, perfetta efficienza non è possibile. Ma gli animali selezionati come i più adatti si sono evoluti in una gamma ristretta di parametri altamente efficienti.
Un animale che nuota a velocità costante crea spinta con la sua pinna caudale, ed esperienze trascinare prodotte da due fonti:il suo corpo, e la resistenza "offset" causata dall'area frontale del propulsore proiettata sul suo raggio di movimento.
Per gli animali volanti, la fisica è in qualche modo diversa poiché i loro propulsori devono resistere alla gravità oltre a fornire spinta. Però, la necessità di produrre portanza non influisce sulla fisica della propulsione e della resistenza quando l'animale è a una velocità di crociera costante.
Negli studi precedenti, i ricercatori hanno suggerito che i movimenti di grande ampiezza impostano il numero di Strouhal per una crociera efficiente. Gli autori del presente studio sostengono che l'ampiezza determina l'efficienza totale senza dettare il numero di Strouhal ottimale. Anziché, scrivono gli autori, "la resistenza all'offset è cruciale nel determinare il comportamento di Strouhal basso e nell'impostare il particolare Strouhal al quale si verifica l'efficienza massima".
Il trascinamento si rivela fondamentale. Sulla base della loro analisi, i ricercatori concludono che la gamma di numeri di Strouhal che definisce la navigazione altamente efficiente per gli animali che nuotano e volano è in gran parte determinata dalla resistenza del fluido su pinne e ali. "In altre parole, " concludono gli autori, "considerazioni energetiche impostano la cinematica del propulsore su quella più efficiente, e la spinta netta del propulsore al massimo dell'efficienza bilancia la resistenza del corpo per impostare la velocità di crociera."
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