Высокоскоростная съёмка запечатлела ракетоподобный прыжок рыбы-стрелка
Рыба-стрелок известна своей способностью сбивать насекомых с листьев точными струями воды. Однако сбитая добыча может быть перехвачена другими хищниками. Чтобы этого избежать, рыба использует второй, менее изученный метод: она может выпрыгивать из воды с места на высоту более чем в два раза превышающую длину её тела, чтобы поймать насекомое в воздухе.
Инженеры MIT детально изучили гидродинамику этого прыжка в работе, опубликованной в Journal of Experimental Biology.
"В отличие от акулы, которая набирает скорость снизу, начальный импульс рыбы-стрелка равен нулю. Вся сила создаётся у самой поверхности, почти с места. Это делает её уникальным объектом для изучения", — говорит Александра Течет, доцент кафедры машиностроения MIT.
Понимание этого механизма может помочь в проектировании подводных аппаратов, способных быстро выныривать из воды.
Эксперимент с обучением рыб
Команда получила 10 рыб-стрелков и разместила их в аквариуме с солоноватой водой. Пять рыб обучили прыгать за подвешенной высушенной креветкой, отказывая им в пище, если они использовали "плевок" водой.
Для экспериментов использовался аквариум, заполненный водой с нейтрально плавучими полиамидными частицами. Снизу подсвечивался лазер (инфракрасный свет), а высокоскоростная камера фиксировала движение частиц. Этот метод, известный как Particle Image Velocimetry (PIV), позволил получить векторы скорости и изучить вихри в воде.
"Мы можем отследить, куда переместились частицы, и с помощью обработки изображений получить векторы скорости. Это даёт представление о том, какую тягу или энергию рыба генерирует для прыжка", — объясняет Течет.
Камерой было записано 98 прыжков пяти рыб за креветкой, подвешенной на высоте от 1/4 до более чем 2 длин тела рыбы.
Три фазы прыжка
Анализ кадров показал три основные фазы прыжкового поведения:
- Парение: Рыба зависает у поверхности, стабилизируя положение с помощью грудных и хвостового плавников.
- Создание тяги: Рыба поднимает грудные и брюшные плавники и начинает интенсивно бить хвостом из стороны в сторону, генерируя достаточную тягу для выброса из воды.
- Планирование: Рыба вылетает из воды и по инерции (под действием гравитации) достигает приманки, не создавая дополнительной тяги.
Количество взмахов хвостом коррелировало с высотой приманки: чем выше цель, тем больше взмахов.
"Как ускориться, когда самый критический дефицитный ресурс — это пространство для разгона? Здесь нет разбега. Для меня это один из самых важных выводов", — говорит аспирантка Лия Мендельсон.
Рыбы достигали высоты до 2.5 длин своего тела. Максимальные скорости выхода из воды, зафиксированные с помощью PIV, составляли от 0.6 до 1.7 м/с².
"Скорость, с которой они покидают воду, сопоставима со скоростью пловца-олимпийца. Рекорд на 100 метров вольным стилем — чуть менее 50 секунд, то есть около 2 м/с. Эти рыбы почти так же быстры, но движутся вверх, а не горизонтально", — отмечает Мендельсон.
Дальнейшие планы
В дальнейшем команда планирует использовать несколько камер для трёхмерного изучения прыжка. Текущая работа даёт лишь двумерную перспективу. Течет предполагает, что другие плавники, помимо хвоста, играют роль в стабилизации и propulsion (создании движущей силы) рыбы.
Конечная цель — использовать знания о природных механизмах для создания более манёвренных подводных аппаратов.
"Смогу ли я создать робота-рыбу, выпрыгивающего из воды? Вероятно, нет. Но концепции, изученные здесь, универсальны для рыб, движителей и гидродинамических профилей в целом", — заключает Течет.