Fisika Penguin Gentoo Bisa Berenang Begitu Cepat Di Bawah Air – Ars Technica

Penguin gentoo Mereka adalah burung perenang tercepat di dunia, berlari dengan kecepatan maksimum di bawah air hingga 36 km/jam (sekitar 22 mph). Ini karena sayap mereka telah berevolusi menjadi sirip yang sempurna untuk bergerak di air (walaupun sebagian besar tidak berguna untuk terbang di udara). Fisikawan sekarang telah menggunakan pemodelan komputasi hidrodinamika sayap penguin untuk mendapatkan wawasan tambahan tentang gaya dan aliran yang diciptakan sayap tersebut di bawah air. Mereka menyimpulkan bahwa kemampuan penguin untuk mengubah sudut sayapnya saat berenang adalah variabel terpenting untuk menghasilkan daya dorong, menurut Kertas terakhir Diterbitkan dalam Jurnal Fisika Fluida.

“Kemampuan unggul penguin perenang untuk memulai/mengerem, mempercepat/memperlambat, dan berbelok dengan cepat adalah karena sayap mereka yang melambai dengan bebas,” kata rekan penulis Prasert Prapamonthon dari Institut Teknologi King Mongkut Ladkrabang di Bangkok, Thailand. “Mereka memungkinkan penguin bergerak dan bermanuver di air dan menjaga keseimbangan di darat. Tim peneliti kami selalu ingin tahu tentang makhluk yang berevolusi di alam yang akan bermanfaat bagi umat manusia.”

Para ilmuwan selalu tertarik mempelajari hewan air. Penelitian semacam itu dapat mengarah pada desain baru yang mengurangi hambatan pesawat atau helikopter. Atau itu bisa membantu membangun robot yang terinspirasi bio yang lebih efisien untuk menjelajahi dan memantau lingkungan bawah air – seperti Robocrillrobot kecil berkaki satu dengan cetakan 3D yang dirancang untuk meniru gerakan kaki krill Sehingga Anda dapat bergerak dengan lancar di lingkungan bawah air.

Spesies akuatik telah berevolusi dengan berbagai cara untuk meningkatkan efisiensinya saat bernavigasi di air. Misalnya, hiu mako dapat berenang dengan kecepatan 70 hingga 80 mil per jam, membuat mereka mendapat julukan “macan tutul samudra”. Pada tahun 2019, para ilmuwan menunjukkan bahwa faktor utama mengapa hiu mako dapat bergerak begitu cepat adalah struktur unik kulitnya. Mereka memiliki sisik transparan kecil, berukuran sekitar 0,2 milimeter, disebut “gigi” seluruh tubuh, terutama terkonsentrasi di sayap dan sirip. Sisik lebih fleksibel di area ini dibandingkan area lain seperti hidung.

Ini memiliki efek mendalam pada tingkat stres yang dialami hiu mako saat berenang. Hal ini disebabkan oleh tekanan tarikan pemisahan aliran di sekitar objek, seperti pesawat terbang atau tubuh hiu mako saat bergerak di air. Inilah yang terjadi ketika cairan mengalir menjauh dari permukaan tubuh, membentuk pusaran dan pusaran yang menghambat gerak tubuh. Giginya dapat terlipat ke dalam kulit hiu dengan sudut lebih dari 40 derajat dari tubuhnya – tetapi hanya dalam arah melawan arus (yaitu, dari ekor ke hidung). Ini mengontrol tingkat pemisahan aliran, mirip dengan lesung pada bola golf. Stippling, atau sisik dalam kasus hiu mako, membantu menjaga aliran terikat di sekitar tubuh, yang mengurangi ukuran waspada.

Udang rumput rawa meningkatkan daya dorong ke depan berkat kekakuan dan peningkatan luas permukaan kakinya. Mereka juga memiliki dua mekanisme pengurang hambatan: kaki dua kali lebih fleksibel selama kayuhan pemulihan dan menekuk lebih kuat, menghasilkan interaksi langsung yang lebih sedikit dengan air dan bangun yang lebih sedikit (pusaran yang lebih kecil); Dan bukannya tiga kaki bergerak secara terpisah, kaki mereka pada dasarnya bergerak sebagai satu, yang sangat mengurangi tarikan.

Ada juga banyak penelitian yang meneliti biomekanik, kinesiologi, dan bentuk sirip penguin, di antara faktor lainnya. Prabamonthon et al. Dia secara khusus ingin mempelajari hidrodinamika tentang bagaimana sayap yang mengepak menghasilkan dorongan ke depan. Menurut penulis, hewan air biasanya menggunakan dua mekanisme dasar untuk menghasilkan daya dorong di dalam air. Salah satunya berbasis drag, seperti mendayung, dan sangat cocok untuk bergerak dengan kecepatan rendah. Untuk kecepatan yang lebih tinggi, mereka menggunakan mekanisme berbasis levitasi-flutter, yang telah terbukti lebih efisien dalam menghasilkan daya dorong.

Pada satu tingkat, sayap penguin pada dasarnya adalah sayap pesawat terbang, hanya lebih pendek dan lebih rata seperti sirip atau dayung, dengan bulu pendek dan lebat yang membantu menjebak udara untuk mengurangi gesekan dan turbulensi. Penguin juga dapat mengubah sudut sayapnya (bulu sayap aktif) untuk mengurangi resistensi saat mereka perlu menyesuaikan postur renangnya, bersamaan dengan nada dan kepakan. Nyatanya, sayap penguin cukup rumit secara geometris, menurut penulisnya. Ada bagian internal di mana jarak antara tepi terdepan (depan) dan tepi belakang (belakang) bertambah jauh dari akar; bagian tengah di mana ujung kira-kira sejajar dengan jarak antara ujung sayap dan ujung sayap; dan bagian luar, di mana ujung belakang sayap cekung.

Tim mempelajari film pinguin berenang, dikombinasikan dengan analisis gerak dua dimensi dari samping. Data ini membantu mereka membangun model hidrodinamika untuk mensimulasikan gaya dan aliran kompleks di sekitar sayap, menggabungkan variabel seperti amplitudo, frekuensi, dan arah kepak sayap dan bulu, serta kecepatan dan viskositas media fluida. Mereka menggunakan rasio kecepatan dorong terhadap kecepatan maju untuk memodelkan gerakan sayap dan menambahkan variabel baru yang mereka sebut “sudut dorong”, yang pada dasarnya ditentukan oleh sudut serang dan sudut relatif sayap ke arah depan.

Prabamonthon et al. menyimpulkan bahwa penguin menggunakan mekanisme penggerak berbasis lift saat berenang. Selain itu, gerakan bulu pada dasarnya adalah cara penguin menghasilkan dorongan kuat ke depan di dalam air. Amplitudo optimal selama gradasi menghasilkan daya dorong terbesar. Penguin jelas ahli dalam menemukan sweet spot itu.

Namun, jika terlalu banyak kapasitansi, itu akan menyebabkan impuls negatif. Ketika sayap mengepak, mereka menghasilkan vortisitas, terutama a Spiral ujung depan (LEV) Di atap paviliun adalah Prapamonthon et al. Ditemukan untuk memainkan peran penting dalam menghasilkan daya angkat dan dorong. “Pada stroke bawah, misalnya, memperkenalkan sudut baling-baling melemahkan intensitas ventilasi pembuangan lokal di dek atas (sisi hisap) dan mengurangi daya angkat,” tulis penulis. “Namun, sudut bulu yang berlebihan menggeser permukaan bawah ke sisi isap, menghasilkan tingkat ventilasi pembuangan lokal yang lebih rendah di dekat akar. Pergeseran ini dapat menjelaskan dorongan negatif yang disebabkan oleh pelebaran baling-baling yang berlebihan.”

DOI: Fisika Fluida, 2023. 10.1063 / 5.0147776 (tentang DOI).