Прилипалы выбрали для прилипания к китам области около дыхала и плавников

Американские биомеханики смоделировали течение жидкости вокруг плывущего синего кита и определили места на его теле, наиболее выгодные для прикрепления рыб-прилипал. Оказалось, что в районе дыхала, а также спинного и грудных плавников гидродинамическое сопротивление значительно снижается — оно может быть на 84 процента меньше, чем в открытом потоке. Это позволяет рыбам не только крепко присасываться к телу кита, но даже ненадолго открепляться и плавать вблизи него, пишут ученые в Journal of Experimental Biology.

Рыбы из семейства прилипаловых (Echeneidae) используют крупных морских животных — акул, черепах или китов — в качестве транспорта для миграций на большие расстояния. С помощью присоски, в которую в ходе эволюции превратился спинной плавник, они прикрепляются к телу крупного животного и могут вместе с ним перемещаться в поисках еды или партнера. Рыбы-прилипалы не такие маленькие: длина их тела составляет несколько десятков сантиметров, при этом животное-хозяин обычно плывет с довольно большой скоростью (например, максимальная скорость синего кита достигает пяти метров в секунду), поэтому жидкость создает довольно большое лобовое сопротивления. Это сопротивление жидкости нужно преодолевать в том числе и прилипале, и чтобы легче удержаться, нужно тщательно выбирать место прикрепления. Однако подробных исследований, почему одни точки на теле животного-хозяина прилипала предпочитает другим, не проводились.

Рыбы-прилипалы на синем ките

Brooke E. Flammang et al. / Journal of Experimental Biology, 2020

Поделиться

Биомеханики из США и Испании под руководством Брук Фламманг (Brooke E. Flammang) из Технологического института в Нью-Джерси решили определить, какие места на теле синего кита (Balaenoptera musculus) чаще всего выбирают рыбы-прилипалы для прикрепления и как этот выбор можно объяснить с точки зрения гидродинамики. Для этого сначала ученые проанализировали 3,5 часа видео плывущих синих китов, а затем смоделировали плавание китов с помощью метода вычислительной гидродинамики (CFD, computational fluid dynamics) и нашли области с наименьшим гидродинамическим сопротивлением.
На видеозаписях ученые зафиксировали 61 точку на телах трех китов, к которым прикреплялись прилипалы вида Remora australis длиной от 20 до 40 сантиметров. Оказалось, что почти все точки прикрепления расположены в трех областях на теле кита: непосредственно за дыхалом, в области спинного плавника и сбоку от грудных плавников. При этом в области за дыхалом и вокруг спинного плавника прилипалы закреплялись группами.

Интересно, что при этом рыбы не все время были прикреплены к телу хозяина: для питания они могут на время отсоединиться, а потом прикрепиться обратно — на то же самое место или на новое. Пока рыба откреплена от кита, она находится на совсем небольшом расстоянии от поверхности тела кита, в области следа, где тело кита утягивает жидкость за собой. В этой области можно за счет скольжения в потоке значительно снизить энергозатраты на плавание и довольно легко плыть непосредственно вблизи кита.

1/2 Чтобы объяснить выбор именно этих областей для закрепления прилипал и скольжения вдоль поверхности тела кита, ученые построили компьютерную модель плывущего животного на основе метода конечных элементов. Геометрию тела кита для расчетной модели воссоздавали по трехмерной реплике, средняя скорость кита была 1,5 метра в секунду, а длина тела — 18 метров. С учетом вязкости число Рейнольдса составило около 23 миллионов. Полностью расчетная ячейка включала почти 42 миллиона элементов, расчет проводился на 720 ядрах Барселонского суперкомпьютера в течение двух суток. По итогам расчета ученые построили поле скорости потока жидкости вокруг плывущего кита, завихренность потока и распределения давления и коэффициентов сопротивления и трения в потоке.

Сетка конечных элементов для моделирования плывущего кита

1/2 Ученые смоделировали потоки вокруг прилипал четырех размеров: высотой от 1 до 5,3 сантиметра. Выяснилось, что в тех областях, куда чаще всего прикрепляются прилипалы, коэффициент лобового сопротивления может сокращаться на 71–84 процента по сравнению с открытым потоком. Именно в этих областях происходит разделение потока на несколько частей, что и приводит к снижению сопротивления. Области гидродинамического следа, в которых рыбы предпочитают скользить в потоке, оторвавшись от тела животного-хозяина, находятся сбоку от областей прикрепления или за ними. Такие «застойные» области в потоке создаются именно благодаря выступам на теле кита за счет эффекта Вентури — падения давления в суженном потоке — там сопротивление жидкости снижается на 50–72 процента. В тех же областях на теле кита, куда рыбы не прикреплялись вообще, и по данным моделирования выигрыш в гидродинамическом сопротивлении был незначительный или нулевой.
По словам ученых, полученные ими данные не только объясняют поведение рыб-прилипал, но и полезно для повышения эффективности экологического мониторинга. Понимание картины потоков жидкости вокруг тела кита позволит закреплять на нем датчики или метки, которые дольше будут удерживаться на животном.

Исследование гидродинамических особенностей плавания крупных животных помогает находить оптимальные способы перемещения в вязкой среде. Например, американские ученые выяснили, что максимальной скорости крупные рыбы и морские млекопитающие достигают, если отношение амплитуды колебания хвоста животного к длине его тела составляет от 10 до 30 процентов. А до этого биологи показали, что также сэкономить силы рыбы могут, плавая на боку.

Александр Дубов

https://nplus1.ru/