елементи

абстрактно

Известно е, че морските костенурки с козина (Dermochelys coriacea) притежават отлични способности за гмуркане и са силно адаптирани към пелагично плуване. Те имат пет надлъжни хребета на бронята си. Въпреки че се смяташе, че тези хребети могат да бъдат адаптация към управлението на потока, не е извършено строго проучване, за да се разберат техните хидродинамични задачи. Тук показахме, че тези хребети са леко несъвместими с теченията около тялото, за да създадат токови вихри и да потиснат или забавят отделянето на потока към бронята, което води до повишено хидродинамично представяне по време на различните модели на плуване. Нашите резултати показват, че формите на някои морфологични характеристики на живите същества, като надлъжните хребети на кожени костенурки, може да не бъдат опростени за отлични хидро- или аеродинамични характеристики, за разлика от нашата обща физическа интуиция.

Схемите за гмуркане с кожени костенурки се разделят на V-образно гмуркане, U-образно гмуркане и подводно плуване според формата на профил за гмуркане 3, 5, 21, 22 (виж, например, допълнителна фигура S1). ). V-образно гмуркане, използвано за паша и транзит, е типичен модел за гмуркане при възрастни костенурки костенурки 3, 5, 21, 22. Водолазите, които задържат дъха, като кожени костенурки, нямат тяло за контрол на плаваемостта и следователно изпитват отрицателна плаваемост в дълбоки води поради компресията на белодробния въздух от водното налягане 5, 23. Тази отрицателна плаваемост дава възможност за гмуркане, така че тяхното плуване надолу може да бъде до голяма степен енергийно ефективно 5, 23. За разлика от тях, те трябва активно да плуват при високи ъгли на наклон (или високи ъгли на атака) през възходящия период, за да преодолеят отрицателната плаваемост 5. Следователно хидродинамичните показатели при възходящи условия на плуване при положителни ъгли на атака могат да бъдат енергийно важни за костенурките.

От друга страна, младежки или младежки костенурки не могат да се гмуркат толкова дълбоко, колкото възрастните, защото не могат да задържат дъха си дълго време поради ниския обем тъкан за съхранение на кислород и високите метаболитни нива, специфични за теглото 24, 25. Младите плуват главно в плитки води 25. Техните модели на плуване се разделят на рутинно плуване (бавно) близо до водната повърхност и интензивно плуване (бързо и високо потребление на енергия) под вода 26. Интензивното плуване е важно за люпилните, тъй като осигурява средство за преодоляване на положителната плаваемост и бягство от хищници 26, 27. Следователно, хидродинамичните характеристики по време на интензивно плуване (плуване при големи отрицателни ъгли на приближаване) също трябва да се имат предвид, за да се разберат напълно задачите на надлъжните хребети.

В това проучване ние конструирахме модели на карапакс на кожени костенурки със и без надлъжни хребети и извършихме измервания на сила и скорост, за да изследваме хидродинамичните задачи на хребетите при различни режими на плуване на костен костенурка. Моделът на карапакс за експерименти с аеродинамичен тунел е изграден въз основа на геометрична информация за подплатената изкуствена кожа в Националния научен музей в Daejeon, Корея. За да разберем ефекта на хребетите върху опънните и повдигащите сили и протичането в близост до тялото, ние също създадохме модел на броня без хребети, но със същите челни (A f) и планформ (A p) повърхности (Фиг. 1) чрез математически приближения на геометриите (подробности са дадени в метода (модели на Carapace) и допълнителна фиг. S2).

хидродинамична

а) Напълнена кожена костенурка, използвана за 3D сканиране и перспективни изгледи на модели брони с (вляво) и без (вдясно) хребети. б) Характерни дължини и зони на модели брони.

Изображение в пълен размер

Извършихме поредица от изпитвания на аеродинамичен тунел за измерване на опънните и повдигащите сили на модели със и без хребети (вж. Методи (Измерване на силата) и допълнителна фигура S4 за подробна настройка) Разглежданите числа на Рейнолдс са Re = 0, 2–1, 2 × 10 6 (въз основа на дължината на тялото l на всеки модел) с различни ъгли на атака от α = −22 ° до 22 °. Тези диапазони Re и α включват условията на плуване на костенурки и възрастни костенурки (Допълнителна фигура S1c). Също така разгледахме ненулеви ъгли на въртене за α = -22 ° и 18 ° и измерихме страничните сили (допълнителна фигура S4).

Фигура 2а показва промените в коефициентите на тяга и ход (Cd и CL; виж методите (измерване на силата) на техните дефиниции) и съотношението ход/тяга (L/D) в зависимост от ъглите на атака (a) и числото на Рейнолдс (Re). Тази фигура показва два значителни хидродинамични проблема на хребетите. Първо, хребетите значително намаляват съпротивлението и също така намаляват отрицателния ход при отрицателни до почти нулеви ъгли на атака. Особено при ниски числа на Рейнолдс, съпротивлението намалява с 32% при α = −18 ° (фиг. 2б). По време на интензивно плуване костенурките отвеждат главата си надолу/опашката нагоре от благородството, при което ъгълът на наклон на тялото е около -22 ° 26. При този голям отрицателен ъгъл на атака придърпването е голямо, а ударът е отрицателен (както е показано на фигура 2а). Нашите резултати показват, че хребетите намаляват тази висока сила на теглене, която се появява при рязко плуване на люпилни.

а) Промени в коефициентите на съпротивление (C D) и ход (C L) и съотношението на повдигане и опън (L/D) на модели с (пълни символи) и без (отворени символи) гребени в зависимост от модела. ъгли на атака (α) и числа на Рейнолдс (Re). Ето резултатите за три представителни числа на Рейнолдс, а лентите за грешки показват повтарящата се грешка в измерването на силата. б) Вариации на хребети Cd, CL и L/D. AC D = CD с хребети - Тук са дефинирани Cd без хребети и AC L и AL/D. Белите точки на тази фигура представляват точките, в които са проведени експериментите.

Изображение в пълен размер

От друга страна, енергично плаващи млади показват големи редовни движения на перките, което води до неравномерна скорост на плуване 26. Скоростта на плуване е 0, 738–1, 714 m/s (3, 1–7, 2 ls −1) 26 за дължина на тялото (l) 23, 8 cm, чиито съответстващи числа на Рейнолдс са Re = 1, 9 –4, 4 × 10 5. При тези числа на Рейнолдс и α = -22 ° надлъжните хребети намаляват тягата и увеличават хода (фиг. 2б), което показва, че хидродинамичните свойства на хребетите все още се запазват по време на движението на перката.

Извършихме измервания на скоростта, използвайки DPIV, за да изследваме модификации на поточните структури от надлъжни хребети. Измерванията бяха извършени при две условия, a = −22 ° и Re = 2 x 105, a = 18 ° и Re = 5 × 105, които са характерни за интензивното плуване в люпилнята и активното възходящо плуване за възрастни, (виж Методи (измервания на дебита) и допълнително изображение S5 за експериментална настройка).

( а ) Контури на усреднени по времето скорости на тока (ū) и вектори на скоростта в четири позиции в диапазона (от 1 - от 4) за случаи без хребети (горен панел) и (долен панел). Плътните черни линии на тази фигура показват области ū = 0. Черните зони показват области, където скоростта не е измерена поради отражението на повърхността и сенките на модела. ( б ) Контури на моментни вектори на завихряне на ток и вектори на скоростта на четири текущи места (x 1 - x 4) за случаи без хребети (ляв панел) и (десен панел). ( ° С ) Механизъм на токовото поколение и забавяне на отделянето на билото.

Изображение в пълен размер

а ) Визуализация на повърхностно масло на модели без (горен панел) и с (гребени на долния панел). Червените плътни и пунктирани линии показват местата за разделяне на потока и повторно закрепване отпред на модела. ( б ) Контури на усреднени по времето вектори на текущата скорост и вектори на скоростта в две позиции на гърба на моделите без (лев панел) и (десен панел) гребени. Плътните черни линии показват места, където усреднената за времето скорост на тока е нула. Разделителни линии в ( б ) (горният панел) са нанесени от полетата на скоростта, измерени при единадесет позиции в диапазона и подробна информация е дадена на допълнителна фигура S6. ( ° С) Контури на моментни вектори на завихряне на ток и вектори на скоростта на четири текущи места на модели без (лев панел) и (десен панел) гребени.

Изображение в пълен размер

Тъй като в предната част на модела съществува балон за разделяне за активно плуване нагоре, наличието на глава на костенурка може да повлияе на потока над предната повърхност. Според предишни наблюдения ъгълът на главата от тялото на кожената костенурка по време на плуване 26, 37 не се променя значително. Поради това проектирахме други модели карабини, включително главата, като сканирахме главата на костенурката от изкуствена кожа (допълнителна снимка S3) и измерихме силите на теглене и повдигане. В случай на висок ъгъл на атака и високо състояние на Re, което представлява активно плуване нагоре на възрастни, хребетите подобряват плаваемостта (9,3%) и съотношението на плаваемост към тягата (5,2%) дори в присъствието на главата (вж. Допълнение Фигура S7a). От друга страна, в случай на отрицателен ъгъл на атака и ниско състояние на Re, което представлява рязко къпане на малки, хребетите значително намаляват съпротивлението (до 22%) и увеличават удара (до 23,3%) (Допълнителна фиг. 1). S7b). Тези резултати предполагат, че присъствието на главата не променя хидродинамичните роли на хребетите за интензивно и активно плуване нагоре.

При наличие на океанско течение или докато костенурката се върти, посоката на плуване не съвпада с посоката на свободния поток. За да изследваме този ефект, измерваме силите на опън, ход и странични сили чрез промяна на ъгъла на въртене от γ = 0 ° на 30 ° (допълнителна фигура S4) за интензивно и активно плуване нагоре и представяме техните вариации на фиг. При α = −22 o и Re = 2 × 10 5 (интензивно плуване в люпилни; фиг. 5а) хребетите намаляват тягата и увеличават хода при γ = 0 ° до 30 °. Страничната сила се увеличава бързо с увеличаване на ъгъла на въртене. Хребетите увеличават страничната сила повече с 30 ° при голям ъгъл на въртене, въпреки че не я променят много при ниски ъгли на въртене. При α = 18 o и Re = 5 x 105 (активно възходящо плуване на възрастни; Фиг. 5б), хребетите увеличават повдигането и съотношението на повдигане и дърпане. От друга страна, страничната сила показва много различно поведение: т.е. без хребети страничната сила става отрицателна при ниски ъгли на въртене и след това положителна при голям ъгъл на въртене от 30 °, докато се увеличава с билото с нарастващ ъгъл на въртене. Тези резултати показват, че освен ако ъгълът на въртене не е много голям, хидродинамичните проблеми на надлъжните хребети по отношение на хода, съпротивлението и тяхното съотношение все още са подобни на тези с нулев ъгъл на въртене.

а ) Интензивно плуване в люпилня. б ) Активно възходящо плуване на възрастни.

Изображение в пълен размер

Костенурките от изкуствена кожа имат сводеста броня, докато други твърди костенурки с твърда повърхност имат относително плоски кръгове. Потокът на дъгообразната повърхност обикновено може да проявява по-силен неблагоприятен градиент на налягането, последван от разделяне на потока 38. Следователно, за разлика от други морски костенурки, костенурките може да са по-склонни да разделят масово потока върху бронята си, така че всяко устройство, което подпомага забавянето на разделянето, трябва да бъде по-полезно за плуване от други костенурки, които имат доста плоска броня. В допълнение, за разлика от V-образните гмуркащи костенурки, за други морски костенурки (Chelonia mydas, Caretta caretta) обикновено се знае, че плуват там, където достигнат неутрална плаваемост и поради това може да не изпитват отрицателна плаваемост през целия си живот. плуване 31, 33. Следователно подобряването на лифта с V-образни хребети за гмуркане може да не е необходимо при плуване на други морски костенурки.

методи

Модели на карапакс

Ние създадохме модел на карапакс, базиран на триизмерни повърхностни данни, получени чрез сканиране на пълнена костенурка (дължина на броня 1,2 м, възрастен) в Националния научен музей, Daejeon, Корея (допълнителна фигура S2). Според предишни наблюдения костенурките имат относително тесен обхват на движение в областта на врата, така че главата им не намалява значително при плуване 26, 37. Що се отнася до предните перки, кожените костенурки показват само синхронни клапи по време на синхронния процес 39, 40. Поради тази причина предположихме, че движенията на главата и перките не оказват значително влияние върху потока в близост до бронята и затова елиминирахме части от главата и крайниците в процеса на изграждане на модел на броня.

$ config [ads_text16] не е намерен

Моделът на бронята е конструиран така, че формата му да е подобна на тялото на пълнена костенурка. Първо измерихме профила на надлъжния хребет в средата (z = 0) на пълнената костенурка и получихме профил на гладък хребет, използвайки метода на най-малките квадрати, базиран на 8-кратни полиноми.,

където, Наклоненият ръб на бронята е бил разположен на (виж допълнителна фигура S2).

Горната повърхност на кръговия модел беше разделена на три части по посока на потока: респ. тъй като бронята има три извити повърхности в наклонена посока поради хребетите (допълнителна фигура S2b) и така всяка повърхност е моделирана по метода на най-малките квадрати, базиран на 5-кратни полиноми:

тъй като е изградена гладка повърхност без хребети с помощта на елипса, следваща формата на тялото на пълнена костенурка:

за повърхностната форма на бронята от гладка повърхност извита повърхност е създадена с помощта на коефициент на тежест между следните две повърхности:

Тук за първи път е получена за използване на уравнение (2) и след това получени от a,

Долната повърхност на пълнената костенурка е моделирана с помощта на елипса:

Както виждаме в тази статия, ние забелязваме, че в предната част на повърхността на бронята в режим на активен изход за плуване (фиг. 4) има балон за разделяне. Затова направихме друг набор от модели карабинери, включително главата, чрез сканиране на главата на костенурката от изкуствена кожа (допълнително изображение S3), за да разберем как главата влияе върху потока през бронята.

Дължината на модела на бронята (l) беше 400 mm, което беше 1/3 от съединението на пълнената костенуркова броня. Също така създадохме модел на карапа без хребет (например модел с гладка повърхност) за сравнение, така че предната (A f) и повърхностната форма (A p) да са същите като в модела на билото. В нашия анализ ние също така предположихме, че малките и възрастните са геометрично сходни 41. Следователно, ние използвахме едни и същи модели на кръг за изследване на хидродинамичните проблеми на хребетите за различни режими на плуване както за млади, така и за възрастни, въпреки че настоящите модели брони бяха създадени от геометричната информация на възрастна костенурка.

Измерване на силата

При наличие на океанско течение или докато костенурката се върти, посоката на плуване не съвпада с посоката на свободния поток. Този ефект е изследван, като се вземе предвид ъгловият ъгъл (y), както е показано на фиг. За ненулеви γ, ние измерихме странични сили в допълнение към силите на изтегляне и повдигане.

Измервания на полето на потока

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Bang, K. et al. Хидродинамична роля на надлъжните гръбни хребети при плуване с кожена костенурка. Sci. Представител . 6, 34283; doi: 10.1038/srep34283 (2016).