obiecte

abstract

Broaștele țestoase marine (Dermochelys coriacea) sunt cunoscute ca având o capacitate excelentă de scufundare și sunt foarte adaptate la înotul pelagic. Au cinci creste longitudinale pe armură. Deși s-a crezut că aceste creste ar putea fi o adaptare la controlul debitului, nu s-a efectuat niciun studiu riguros pentru a înțelege sarcinile lor hidrodinamice. Aici, am arătat că aceste creste sunt ușor nealiniate cu curenții din jurul corpului pentru a crea vârtejuri curente și pentru a suprima sau întârzia separarea fluxului de armură, rezultând o performanță hidrodinamică crescută în timpul diferitelor tipare de înot. Rezultatele noastre sugerează că formele unor trăsături morfologice ale creaturilor vii, cum ar fi crestele longitudinale ale broaștelor țestoase din piele, nu pot fi simplificate pentru o performanță hidro sau aerodinamică excelentă, spre deosebire de intuiția noastră fizică obișnuită.

Schemele de scufundări de broaște țestoase din piele sunt împărțite în scufundări în formă de V, scufundări în formă de U și înot subacvatic conform formei profilului de scufundare 3, 5, 21, 22 (a se vedea, de exemplu, figura suplimentară S1). ). Scufundarea în formă de V, care este utilizată pentru pășunat și tranzit, este un model tipic de scufundare pentru broasca țestoasă adultă din piele 3, 5, 21, 22. Scafandrii care susțin respirația, cum ar fi țestoasele din piele, nu au un corp de control al flotabilității și, prin urmare, experimentează o flotabilitate negativă în apele adânci datorită comprimării aerului pulmonar de presiunea apei 5, 23 Această flotabilitate negativă permite scufundarea, astfel încât înotul lor descendent poate fi în mare măsură eficient din punct de vedere energetic 5, 23. În schimb, trebuie să plutească activ la unghiuri mari de înclinare (sau unghiuri mari de atac) în perioada ascendentă pentru a depăși flotabilitatea negativă 5. Prin urmare, performanța hidrodinamică în condiții ascendente de înot la unghiuri pozitive de atac poate fi importantă din punct de vedere energetic pentru broaștele țestoase.

Pe de altă parte, broaștele testoase juvenile sau juvenile din piele nu se pot scufunda la fel de adânc ca adulții, deoarece nu își pot ține respirația mult timp datorită volumului redus de țesut pentru stocarea oxigenului și a ratelor metabolice ridicate specifice greutății 24, 25. Tinerii înoată în principal în apă puțin adâncă 25. Modelele lor de înot sunt împărțite în înot de rutină (lent) lângă suprafața apei și înot intensiv (consum rapid și ridicat de energie) sub apă 26. Înotul intens este important pentru incubatoare, deoarece oferă un mijloc de a depăși flotabilitatea pozitivă și de a scăpa de prădătorii 26, 27. Prin urmare, trebuie luate în considerare caracteristicile hidrodinamice în timpul înotului intens (înotul la unghiuri mari de apropiere negative) pentru a înțelege pe deplin sarcinile crestelor longitudinale.

În acest studiu, am construit modele de carapace de broaște țestoase din piele cu și fără creste longitudinale și am efectuat măsurători de forță și viteză pentru a investiga sarcinile hidrodinamice ale crestelor în diferite moduri de înot pentru broaștele de piele. Modelul de carapace pentru experimentele tunelului eolian a fost construit pe baza informațiilor geometrice despre piele căptușită la Muzeul Național de Științe, din Daejeon, Coreea. Pentru a înțelege efectul crestelor asupra forțelor de tracțiune și de ridicare și a curgerii în apropierea corpului, am creat, de asemenea, un model de armură fără creste, dar cu aceleași suprafețe frontale (A f) și planform (A p) (Fig. 1) prin matematică. aproximări ale geometriilor (detaliile sunt date în metodă (modelele Carapace) și Fig. S2 suplimentare).

hidrodinamic

(A) Broască țestoasă din piele utilizată pentru scanarea 3D și vederi în perspectivă ale modelelor de armuri cu (stânga) și fără (drepte) creste. (b) Lungimi și zone caracteristice modelelor de armuri.

Imagine la dimensiune completă

Am efectuat o serie de teste de tunel de vânt pentru a măsura forțele de tracțiune și de ridicare la modelele cu și fără creste (a se vedea Metode (Măsurarea forței) și Figura suplimentară S4 pentru configurare detaliată). Numerele Reynolds luate în considerare au fost Re = 0, 2-1, 2 × 106 (pe baza lungimii corpului l a fiecărui model) cu unghiuri diferite de atac de la α = -22 ° până la 22 °. Aceste intervale Re și α includ condițiile de înot ale broaștelor țestoase și ale broaștelor țestoase adulte (Figura suplimentară S1c). De asemenea, am luat în considerare unghiuri de rotație diferite de zero pentru α = -22 ° și 18 ° și am măsurat forțele laterale (figura suplimentară S4).

Figura 2a prezintă modificările coeficienților de tracțiune și cursă (Cd și CL; vezi metodele (măsurarea forței) ale definițiilor lor) și raportul cursei la tracțiune (L/D) în funcție de unghiurile de atac (a) și de numărul Reynolds (Re). Această figură arată două probleme hidrodinamice semnificative ale crestelor. În primul rând, crestele reduc semnificativ rezistența și, de asemenea, reduc cursa negativă la unghiuri de atac negative până la aproape zero. Mai ales la un număr redus de Reynolds, rezistența scade cu 32% la α = -18 ° (Fig. 2b). În timpul înotului intens, broaștele țestoase își iau capul în jos/coada în sus de nobilime, la care unghiul de înclinare al corpului este de aproximativ -22 ° 26. La acest unghi negativ mare de atac, tragerea este mare, iar cursa este negativă (așa cum se arată în Figura 2a). Rezultatele noastre sugerează că crestele reduc această forță mare de tragere care apare atunci când incubatoarele înoată brusc.

A) Modificări ale coeficienților de rezistență (C D) și cursă (C L) și raportului de ridicare și tensiune (L/D) la modelele cu (simboluri complete) și fără creste (simboluri deschise) în funcție de model. unghiuri de atac (α) și numere Reynolds (Re). Iată rezultatele pentru trei numere reprezentative ale lui Reynolds, iar barele de eroare indică eroarea de măsurare a forței repetabile. (b) Variații ale crestelor Cd, CL și L/D. AC D = CD cu creste - Cd fără creste și AC L și AL/D sunt definite aici. Punctele albe din această figură reprezintă punctele în care au fost efectuate experimentele.

Imagine la dimensiune completă

Pe de altă parte, tinerii care plutesc energetic prezintă mișcări mari regulate ale aripioarelor, ceea ce duce la o viteză de înot inegală 26. Viteza de înot este de 0, 738-1, 714 m/s (3, 1-7, 2 ls −1) 26 pentru o lungime a corpului (l) de 23,8 cm, ale cărei numere corespunzătoare Reynolds sunt Re = 1, 9 –4, 4 × 10 5. La aceste numere Reynolds și α = −22 °, crestele longitudinale reduc împingerea și măresc cursa (Fig. 2b), indicând faptul că proprietățile hidrodinamice ale crestelor sunt încă menținute în timpul mișcării aripioarei.

Am efectuat măsurători de viteză folosind DPIV pentru a investiga modificările structurilor de curgere prin crestele longitudinale. Măsurătorile au fost efectuate în două condiții, a = −22 ° și Re = 2 x 105, a = 18 ° și Re = 5 × 105, care sunt caracteristice înotului intensiv în incubator și al înotului activ ascendent pentru adulți (vezi Metode (măsurători ale debitului) ) și imagine suplimentară S5 pentru configurare experimentală).

( A ) Contururi ale vitezei curente mediate în timp (ū) și a vectorilor de viteză în patru poziții în intervalul (de la 1 la 4) pentru cazurile fără creste (panoul superior) și (panoul inferior). Liniile negre solide din această figură indică ariile ū = 0. Zonele negre indică zonele în care viteza nu a fost măsurată datorită reflectării suprafeței și a umbrelor modelului. ( b ) Contururi de vectori instantanei de curent instantanee și vectori de viteză la patru locații de curent (x 1 - x 4) pentru cazurile fără creste (panoul stâng) și (panoul drept). ( c ) Mecanismul de generare curentă și separarea întârzierii prin creste.

Imagine la dimensiune completă

A ) Vizualizarea uleiului de suprafață la modelele fără (panoul superior) și cu crestele (panoul inferior). Liniile roșii solide și punctate indică separarea fluxului și locațiile de reașezare pe partea din față a modelului. ( b ) Contururile vectorilor de viteză a curentului mediată în timp și a vectorilor de viteză în două poziții pe spatele modelelor fără (panoul stâng) și (panoul drept) creste. Liniile negre solide indică locurile în care viteza curentului mediat în timp este zero. Liniile de separare în ( b ) (panoul superior) sunt trasate din câmpurile de viteză măsurate la unsprezece poziții din interval și informații detaliate sunt date în figura suplimentară S6. ( c) Contururi de vectori instantanei de curent instantanee și vectori de viteză la patru locații de curent pe modele fără (panoul stâng) și (panoul drept).

Imagine la dimensiune completă

Deoarece există o bule de separare pe partea din față a modelului pentru înot activ în sus, prezența unui cap de broască țestoasă poate afecta fluxul de deasupra suprafeței frontale. Conform observațiilor anterioare, unghiul capului de corpul broaștei țestoase din piele în timpul înotului 26, 37 nu se modifică semnificativ. Prin urmare, am proiectat alte modele de carabiniere, inclusiv partea capului prin scanarea capului broaștei țestoase din piele (imaginea suplimentară S3) și măsurarea forțelor de tragere și de ridicare. În cazul unui unghi de atac ridicat și a unei stări Re ridicate, care reprezintă înotul activ ascendent al adulților, crestele îmbunătățesc flotabilitatea (9,3%) și raportul de flotabilitate la tracțiune (5,2%) chiar și în prezența capului (vezi Suplimentar Figura S7a). Pe de altă parte, în cazul unui unghi de atac negativ și a unei stări scăzute de Re, care reprezintă o scăldat ascuțit de tineri, crestele reduc semnificativ rezistența (până la 22%) și cresc cursa (până la 23,3%) (Fig. Suplimentar 1). S7b). Aceste rezultate sugerează că prezența părții capului nu modifică rolurile hidrodinamice ale crestelor pentru înotul intens și activ în sus.

În prezența unui curent oceanic sau în timp ce broasca țestoasă se rotește, direcția înotului nu coincide cu direcția fluxului liber. Pentru a examina acest efect, măsurăm forța de tracțiune, cursă și forțe laterale schimbând unghiul de rotație de la γ = 0 ° la 30 ° (figura suplimentară S4) pentru înot intens și activ în sus și prezentăm variațiile lor în fig. La α = −22 o și Re = 2 × 10 5 (înot intensiv în incubator; Fig. 5a) crestele reduc forța și cresc cursa la γ = 0 ° până la 30 °. Forța laterală crește rapid odată cu creșterea unghiului de rotație. Crestele cresc forța laterală mai mult cu 30 ° la un unghi mare de rotație, deși nu o schimbă prea mult la unghiuri mici de rotație. La α = 18 o și Re = 5 x 105 (înot ascendent activ al adulților; Fig. 5b), crestele cresc ridicarea și raportul de ridicare și tragere. Pe de altă parte, forța laterală arată un comportament foarte diferit: adică fără creste, forța laterală devine negativă la unghiuri mici de rotație și apoi pozitivă la un unghi mare de rotație de 30 °, în timp ce crește odată cu creasta cu unghiul crescător de rotație. Aceste rezultate sugerează că, cu excepția cazului în care unghiul de rotație este foarte mare, problemele hidrodinamice ale crestelor longitudinale în ceea ce privește cursa, rezistența și raportul lor sunt încă similare cu cele cu unghiul de rotație zero.

A ) Înot intensiv în incubator. b ) Înot activ ascendent al adulților.

Imagine la dimensiune completă

Țestoasele din piele au armură arcuită, în timp ce alte țestoase solide cu o suprafață solidă au cercuri relativ plane. Debitul de pe suprafața arcuită poate prezenta de obicei un gradient de presiune advers mai puternic urmat de separarea debitului 38. Prin urmare, spre deosebire de alte broaște țestoase marine, broaștele țestoase ar putea fi mai susceptibile de a separa masiv fluxul pe armura lor, astfel încât orice dispozitiv care ajută la întârzierea separării ar trebui să fie mai util pentru înot decât alte broaște țestoase care au armură destul de plată. În plus, spre deosebire de țestoasele de scufundare în formă de V, alte broaște țestoase marine (Chelonia mydas, Caretta caretta) sunt în general cunoscute pentru a înota acolo unde ajung la flotabilitate neutră și, prin urmare, nu pot experimenta flotabilitate negativă în timpul vieții lor. înot 31, 33. Prin urmare, îmbunătățirea ascensiunii cu creste de scufundare în formă de V poate fi imposibilă atunci când înotați alte țestoase marine.

metode

Modele de carapace

Am produs un model de carapace bazat pe date tridimensionale de suprafață obținute prin scanarea unei broaște țestoase umplute (lungimea armurii 1,2 m, adult) la Muzeul Național de Științe, Daejeon, Coreea (Figura suplimentară S2). Conform observațiilor anterioare, broaștele țestoase au un interval relativ mic de mișcare în zona gâtului, astfel încât capul lor nu scade semnificativ atunci când înoată 26, 37. În ceea ce privește aripioarele anterioare, broaștele țestoase din piele prezintă numai clapete sincrone în timpul procesului sincron 39, 40. Din acest motiv, am presupus că mișcările capului și aripioarelor nu au afectat în mod semnificativ fluxul din apropierea armurii și, prin urmare, am eliminat părțile capului și ale membrelor în procesul de construire a unui model de armură.

$ config [ads_text16] nu a fost găsit

Modelul de armură a fost construit astfel încât forma sa să fie similară cu corpul unei broaște țestoase umplute. Am măsurat mai întâi profilul unei creaste longitudinale în mijlocul (z = 0) al unei broaște țestoase umplute și am obținut un profil de creastă netedă folosind metoda celor mai puțin pătrate bazate pe polinoame de 8 ori.,

unde, marginea oblică a armurii a fost situată pe (a se vedea figura suplimentară S2).

Suprafața superioară a modelului circular a fost împărțită de trei părți în direcția de curgere: resp. deoarece, armura are trei suprafețe curbate într-o direcție oblică datorită crestelor (figura suplimentară S2b), astfel încât fiecare suprafață a fost modelată prin metoda celor mai mici pătrate pe baza polinoamelor de 5 ori:

pentru că, o suprafață netedă fără creste a fost construită folosind o elipsă care urmează forma corpului unei broaște țestoase umplute:

pentru forma suprafeței armurii dintr-o suprafață netedă, suprafața curbată a fost creată utilizând un factor de ponderare între aceste două suprafețe:

Aici, a fost obținut mai întâi pentru utilizarea ecuației. (2) și apoi obținut de la a,

Suprafața inferioară a țestoasei umplute a fost modelată folosind o elipsă:

După cum vedem în această lucrare, observăm că în partea din față a suprafeței armurii în modul de înot activ de ieșire (Fig. 4) există o bulă de separare. Prin urmare, am realizat un alt set de modele de carabină, inclusiv partea capului, scanând capul broaștei țesute din piele (imagine suplimentară S3) pentru a afla cum afectează capul fluxul prin armură.

Lungimea modelului de armură (l) a fost de 400 mm, ceea ce reprezenta 1/3 din articulația armurii de broască țestoasă. De asemenea, am creat un model de carapace fără creastă (de exemplu, un model de suprafață netedă) pentru comparație, astfel încât suprafețele anterioare (A f) și planform (A p) să fie aceleași ca în modelul de creastă. În analiza noastră, am presupus, de asemenea, că puii și adulții sunt asemănători din punct de vedere geometric 41. Prin urmare, am folosit aceleași modele de cercuri pentru a investiga problemele hidrodinamice ale crestelor pentru diferite regimuri de înot atât pentru tineri, cât și pentru adulți, deși modelele actuale de armuri au fost create din informațiile geometrice ale unei broaște țestoase adulte.

Măsurarea forței

În prezența unui curent oceanic sau în timp ce broasca țestoasă se rotește, direcția înotului nu coincide cu direcția fluxului liber. Acest efect a fost investigat luând în considerare unghiul unghiular (γ), așa cum se arată în FIG. Pentru γ non-zero, am măsurat forțele laterale pe lângă forțele de tragere și de ridicare.

Măsurători ale câmpului de debit

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Bang, K. și colab. Rolul hidrodinamic al crestelor dorsale longitudinale într-o broască țestoasă înot înot. Știință. reprezentant . 6, 34283; doi: 10.1038/srep34283 (2016).