飛行や泳ぐ動物は,高電力効率のために調整されたストルーハル数で巡航する

科学分野:

• バイオメカニクス バイオメカニクス
• 流体力学 流体力学とは
• アニマル・ロコモーション 動物の移動

背景:

• ストルーハル数 (St) などの無次元数は,生物力学において,異なるスケールや媒体のダイナミック類似性を理解するために極めて重要です.
• ストルーハル数 (St = fA/U) は,ストローク周波数 (f),振幅 (A),前進速度 (U) を関連付け,振動系における渦動力学に影響することが知られている.
• 以前の研究によると,魚のような水生動物における高い推進効率は,狭いSt範囲 (0.2 < St < 0.4) 内で達成されていることが示されています.

研究 の 目的:

• 地上および空中の脊椎動物および無脊椎動物を含む多様な動物群で,ピーク推進効率に関連するストルーハル数範囲が保存されているかどうかを調査する.
• 自然淘汰が泳ぎ,飛ぶ,および動物移動の潜在的な他のモードにおける効率的な移動のために最適なストルーハル数を好むかどうかを決定する.
• ストルーハル数を最適化することは,自然界のリフトベースの振動推進の一般的な原則であるかどうかを確認する.

主な方法:

• 様々な泳ぐ,飛ぶ,潜在的に爬行する動物の動力学 (周波数,振幅) と速度に関する既存のデータと文献の分析.
• 移動の様々なモードで異なる種に対してストルーハル数の計算.
• 計算されたストルーハル数と,最適な推進効率の既知の範囲の比較.

主要な成果:

• イルカ,サメ,骨魚などの泳ぐ動物は,0.2から0.4.4の最適な範囲のストルーハル数を一貫して表しています.
• 鳥,コウモリ,昆虫も巡航飛行中にこの狭いストルーハル数域 (0.2-0.4) に収束する.
• この範囲からの偏差は,巡航しない動作中に発生する可能性がありますが,効率的な前進飛行のために最適なストルーハル数は維持されます.

結論:

• 発見は,自然選択が動物が効率的な移動のために,特に巡航中に使用するストルーハル数を制限したことを強く示唆しています.
• 0.2-0.4 ストルーハルの数値の範囲における多様な動物群の収束は,効率的な振動式リフトベースの推進の基本的な原理を強調しています.
• 最適なストルーハル数を達成するために動力学を調節することは,動物の動き中のエネルギー支出を最小限に抑えるための広範な進化的戦略であるようです.