| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Efektívny pohyb medúz
Vladimír Scholtz
Všimli ste si, že pokiaľ pri potápaní plávate blízko pri dne alebo inej pevnej ploche, tak sa pohybujete rýchlejšie ako na otvorenej vode? Príčinou je, že prúd vody, ktorý svojimi pohybmi vytvárate sa o túto pevnú plochu opiera, nemôže ďalej odtekať a tým odnášať hybnosť a energiu do priestoru. Tento jav je známy aj pri štarte lietadiel, keď sa počas štartu medzi lietadlom a zemou stláča vzduch. To zvyšuje vztlak, ktorý pomáha lietadlu odlepiť sa od zeme. Pokiaľ plávajúce teleso za sebou vytvára vír, ktorý sa opiera o dno, je možné toto dno nahradiť aj pomyselným virtuálnym zrkadlovým vírom, ktorý taktiež bráni odtoku pôvodného víru a umožňuje mu sa o tento virtuálny vír „oprieť“. Niektoré zvieratá, ktoré bežne neplávajú pri dne, sa naučili vytvárať si skutočný zrkadlový vír, pomocou ktorého sa môžu efektívnejšie pohybovať. V novom článku [1] je tento mechanizmus podrobne popísaný pre medúzu tanierovku ušatú (Aurelia aurita), ktorá je považovaná za energeticky najefektívnejšieho živočíšneho plavca.
Tanierovka ušatá (Aurelia aurita) [2].
Medúzy plávajú vo svetových oceánoch už viac ako 500 miliónov rokov a za ten čas svoje ladné pohyby doviedli k dokonalosti. Ich svalové tkanivo tvorí iba jedna monovrstva buniek, ktoré sú aj pri veľmi nízkom príkone schopné generovať dostatočne silný ťah. Kinematika pohybu medúz je veľmi zaujímavá, pohybujú sa stláčaní svojho tela do tvaru zvonu, čím vypudzujú tekutinu jedným smerom a svoje telá posúvajú opačným smerom. Obyčajná ryba, ktorá sa prestane vlniť, sa ďalej pohybuje aspoň zotrvačnosťou, zato medúzy sa po každom stiahnutí takmer zastavia. Pri prvom preskúmaní vyzerá pohyb medúz ako neefektívny, keď prácne získanú hybnosť periodicky strácajú. Už v minulosti sa ale pri práci s medúzami zistilo, že aj keď je pohyb tela medúz rovnaký, je posun medúzy, ktorá sa už pohybovala dopredu rýchlejší ako tej, ktorá bola predtým ešte len v pokoji. Ukazuje sa, že tvorba vodných vírov pri sťahovaní tela a vypudzovaní vody hrá dôležitú úlohu pri ich pohone. Staršia práca [3] ukázala, že medúzy môžu využívať pasívne zachytávanie energie z víru, ktorý vznikol pri zabrzdení tela medúzy v prechádzajúcom cykle (tzv. brzdný vír, stopping vortex), čo im na jedno stiahnutie umožňuje prejsť až o tretinu väčšiu vzdialenosť. Dosahujú toho premiestnením spomínaného brzdného víru okrajom svojho zvona akoby „pod seba“. Jeho prietok potom tlačí na vnútornú časť medúzy, viď obr. 2.
Tekutinový model 3cm plávajúcej tanierovky: (a) tlaky v okolí medúzy v rôznych fázach pohybu – pretlak je červený, podtlak je modrý; (b) celková sila v smere pohybu pôsobiaca na medúzu; (c) rýchlosť pohybu medúzy. Skutočná situácia: (d) rozloženie tlakov v okolí medúzy; (e) skutočná rýchlosť medúzy. Všimnite si, že v modeli je v posledných fázach pohybu VII–VIII sila pôsobiaca na medúzu opäť kladná a jej rýchlosť je nenulová. Podobná situácia je aj v skutočnej situácii [3].
Avšak najnovšia práca [1] ukázala ešte ďalšie výhody tohto pohybu. Pre sledovanie pohybu medúz použila vysokorýchlostnú kameru a laserovú časticovú anemometriu (laserové svetlo sa rozptyľuje na drobných čiastočkách v tekutine, z čoho je možné dovodiť jej prúdenie, viď animácia na konci), z ktorej numericky dopočítavali tlakové pole. Pomocou tejto techniky ukázali, že brzdný vír, ktorý sa vytvoril pod zvieraťom počas predchádzajúceho sťahu, pôsobí rovnako ako virtuálny zrkadlový vír alebo ako pevná plocha. Tento vír ženie tekutinu na spodnú stranu zvonu, čím sa pri následnej kontrakcii výrazne zvýšia tlaky tlačiace medúzu dopredu. Medúza sa teda svojej získanej hybnosti nezbaví bezúčelne, ale dočasne si ju uloží do brzdného víru, od ktorého sa pri ďalšom pohybe efektívne odráža. Situácia je znázornená celkovo na obr. 3 a podrobne pre dvojicu vírov na obr. 4.
Anatómia medúzy a znázornené víry vytvárané medúzou pri pohybe.
Vo fáze 2 je na okrajoch zvonu vidieť vír a zrkadlový antivír [1].
Situácia na okraji zvonu bez vzniku zrkadlového víru (a) a pri jeho vzniku (b) [1].
Ukazuje sa ale, že celková výhoda z hľadiska prejdenej vzdialenosti závisí predovšetkým od správneho načasovania ďalšieho sťahu medúzy. Tie však začínajú ďalší cyklus len chvíľu predtým, ako sa brzdný vír zastaví. Maximálny potenciál tohto víru teda nie je úplne využitý. Prečo je tomu tak a prečo medúzy nevyužijú celú energiu vírov zostáva zatiaľ nejasné.
Ako sme už na tomto mieste písali viackrát, napr. [4–7], počas niekoľko miliárd rokov trvajúcej evolúcie už život objavil mnoho efektívnych riešení a nám stačí sa poriadne prizerať a inšpirovať sa. V tomto prípade stojí za pozornosť aj skutočnosť, že pri pohybe medúz nevznikajú na rozdiel od lodných skrutiek a iných vrtúľ kavitačné bubliny a ich pohyb je veľmi tichý. Možno by na podobnom princípe mohli v budúcnosti fungovať tiché vysávače alebo klimatizácie.
Pohyb medúzy v suspenzii s drobnými časticami, ktoré zviditeľňujú pohyb
vody a vznikajúce víry. Zdroj: YouTube.
Odkazy
- Brad J. Gemmell et al.: The most efficient metazoan swimmer creates a ‘virtual wall’ to enhance performance; Proc. of the Royal Society B, 6 Jan 2021
- Wikiwand: Aurelia aurita
- Brad J. Gemmell et al.: Passive energy recapture in jellyfish contributes to propulsive advantage over other metazoans; PNAS, 29 Oct 2013
- Vladimír Scholtz: Fraktálne elektródy pre optoelektroniku – inšpirácia v prírode; AB 42/2016
- Vladimír Scholtz: Pasívne lietanie semien púpavy; AB 41/2018
- Vladimír Scholtz: Ako môžu určiť smer prichádzajúceho zvuku živočíchy s malou hlavou?; AB 8/2016
- Vladimír Scholtz: Bakteriofág M13 v nanotechnológiách; AB 19/2007
