Végre megtudtuk, miért tudnak olyan gyorsan úszni a halak
Ötven éve vitatkoznak a fizikusok azon, hogyan képesek a halak nagy tolóerő kifejtésére a vízben, vagyis hogy mitől tudnak gyorsan úszni. Egy számítógépes szimuláció végre közelebb vitt a válaszhoz.
Az ember csak álmodhat arról a kecses, könnyed mozgásról a vízben, amit a halak produkálnak. Míg a leggyorsabb halak akár több mint száz kilométeres óránkénti sebességgel képesek úszni – a fekete marlin 129 km/h-s sebességgel, az amerikai vitorláskardoshal pedig 110-zel –, az embernek sosem sikerült 6,5 kilométer/óra fölé vinni az úszósebességet. És mennyivel haladnak a leggyorsabb tengeralattjárók? A fekete marlinok szemében szinte nevetséges 80 km/h-val.
A halak hatékony hullámmozgásának titkát, az azt meghatározó hidrodinamikus erőket fizikusok, biológusok és mérnökök próbálták meghatározni. Két teória született, az egyik az ötvenes, a másik a hatvanas években, de eddig nem sikerült meggyőzően bizonyítani, hogy A vagy B elmélet-e a helyes. A Számítógépes Tudományok Pekingi Kutatóközpontjának kutatói azonban nemrég szuperszámítógépen modellezték a halak mozgását, és a mozgásmintákból aprólékosan kimért valós adatokkal finomhangolták az eredményeket. Modelljük először magyarázza el, hogyan fejtenek ki tolóerőt a halak, és hogy miért játszanak ebben fontos szerepet egyes anatómiai struktúrák, például az „inak” (valójában magyarul a halaknál inakról nem, csak egyfajta módosult izomszövetről beszélhetünk, de a továbbiakban ínként fogjuk emlegetni).
Két elmélet
A halak jellegzetes mozgása közben az izmok a test mentén egymás után húzódnak össze, és ezzel váltják ki a meghajló testnek a hal mozgásával ellentétes irányú hullámmozgását. Ezáltal a hal a víznek „támaszkodva” fejt ki tolóerőt. Hogy ez az erő honnan jön? Ez az, amit eddig nem tudtak biztosan a tudósok.
1952-ben Geoffrey Taylor brit fizikus azzal számolt, hogy a hal testének minden egyes szakasza kölcsönhatásba lép a vízzel. Úgy gondolta, hogy minden testszakasz ellenállást fejt ki, és ahogy a test adott része hullámzik, az ellenállás nagyobb a testre merőleges irányban, mint a testtel párhuzamosan. Az eredmény: tolóerő a párhuzamos irányba, magyarán a haladás irányába. Ezt hívják a rezisztív erő elméletének, amelynek segítségével például mikroszkopikus szervezetek folyadékban történő mozgását is szokták elemezni.
1960-ban azonban jött James Lighthill, az ugyancsak brit matematikus, és felállított egy másik teóriát, amelynek meghatározó eleme a víz tehetetlensége. A megnyúlt test elmélete magyarázza azt is, hogy egy lapos lemez hogyan képes tolóerőt kifejteni pusztán egy kis amplitúdójú hullámmozgással.
A két elmélet közötti lényegi különbség az erő mibenlétében keresendő. Az egyiknél a rezisztív, a másiknál reaktív (visszaható) erő játszik szerepet a hal előrehaladásában. Még ha nem is tűnik olyan nagynak a különbség, meghatározó lehet akkor, amikor az ember mesterségesen igyekszik szimulálni a hatékony vízi mozgást.
A pekingi intézetben Tingjü Ming és társai először elkészítették két különféleképpen úszó hal 3D-s számítógépes folyadékdinamikus modelljét. Az angolnaalakúak közé tartozó állatok például egész testüket hullámoztatják, míg a tüskésmakréla-félék merevebben mozognak, a testük hátsó felére bízzák a munka dandárját. A kínai csapat valós halmozgásvizsgálatok adataival finomította a modellt, majd mindkét halmozgástípusra kiszámolta az erőt, a nyomatékot és a teljesítményt.
És az eredmény: mindkét teória stimmel, részben
Az eredmények alapján mindkét elmélet helyes, de különféle testformákra és ezeknek a testeknek különböző részeire érvényesek. A makréla és az angolna típusú úszásra egyaránt igaz, hogy a rezisztív erők a test középső részén játszanak nagyobb szerepet a meghajtásban. A visszaható erők viszont a makréla típusú úszók farka közelében érvényesülnek sokkal inkább.
A rugalmasság ugyancsak fontos: eddig senki nem volt képes a haltest rugalmasságát úszás közben mérni, bár a közmegegyezés az, hogy a rugalmasság segíthet az energia tárolásában és az úszó mozgás hatékonyságának növelésében. A kínai modell erről is szolgáltat némi adatot: megmutatja, hogyan változik a rugalmasság a mozgás erejétől és teljesítményétől függően. Az angolnák és a makrélák testének minden egyes hullámciklusnál más és más ponton kell elasztikussá válnia. Ez a megfigyelés alátámasztja azokat a korábbi megállapításokat, miszerint a változtatható rugalmasság által megspórolható és eltárolható az energia, így hatékonyabbá válhat a mozgás – írta a pekingi kutatócsoport.
Ebből adódik a kérdés, hogy vajon ez az energia hogyan továbbítódik a hal testében. A makréla típusú úszók szervezetében található inak a test mentén, a farokúszók felé húzódnak. Ha a Taylor-féle elméletből kiindulva minden egyes csigolyát külön egységnek fogunk fel, a makrélaféle úszók testében nem lenne szükség inakra, a Tingjü-féle modellben azonban fontosnak bizonyultak, ugyanis a kutatók feltételezése szerint a hosszú inaknak az energia továbbításában van szerepük.
A kutatás megállapításai nem csak azért érdekesek, mert közeli bepillantást nyújtanak a természetben előforduló meghajtás egyik leggyakoribb formájába, hanem azért is, mert kiderül belőlük, hogy a halak haladása jóval összetettebb, mint korábban gondolták, és feltehetőleg ezért olyan nehéz mesterségesen reprodukálni. A Tingjü-féle modell segíthet a mérnököknek, hogy ügyesebben másolják a halmozgást az ember építette eszközökben.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten: