مسابقات: غواصی کوسه

ما به داستانهای مجله Cosmos در چاپ نگاه می کنیم. در دسامبر سال 2020 ، مکانیست سیالات سوفی کالبرتو نوشت که چگونه شگفت انگیزترین ویژگی یک کوسه فقط پوست عمیق بود.

تا آنجا که می توانم به خاطر بسپارم ، کوسه ها را دوست داشتم. با این کار می خواهم بگویم که من ایده کوسه ها را دوست داشتم ، البته بعد از قربانی یک برادر بزرگ که (فقط می توانم حدس بزنم) وقتی خیلی جوان بودم از فک ها لذت بردم. من عملاً مطمئن هستم که اگر واقعاً کوسه ای را در طبیعت دیدم ، این جذابیت و ترس به سرعت در وحشت مطلق حل می شود ، هرچند که با ترس و وحشت باقی مانده است. به همین دلیل ، من ممکن است هنوز در سلول کوسه غواصی نکرده ام. الان می توانم تصور کنم …

به نظر جدی به عنوان یک شکل تاریک و شوم در فاصله ظاهر می شود. شلوار ، دستگاه تنفس از دهانم می افتد. اما من توجه نمی کنم ، زیرا یک کوسه در مقابل من وجود دارد که دقیقاً تحقق می یابد. وقتی تنفس را فراموش کردم ، نفس عمیقی می کشم تا اعصابم را آرام کنم ، خفه کنم و بمیرم.

رویای من این است که هنگام ورود به بندر سیدنی ، یک کوسه را ببینم. من به شما اطلاع می دهم که زمان آن است که کلمات من را بخورید.

اولین شغلی که من به یاد می آورم می خواستم انجام دهم زیست شناس دریایی بود ، و بیشتر در مورد چقدر جالب فکر می کردم که آنها هشت پا با حلقه های آبی هستند و چقدر باورنکردنی و مبهم وحشتناک کوسه ها را پیدا کردم. بدیهی است ، با این حال ، در طول جاده و من خودم یک ریاضیدان وابسته پیدا کردم و از ریاضیات برای درک ، توضیح و حل مشکلات در دنیای واقعی استفاده کردم. به طور خاص ، من تمایل به همه مایعات ایجاد کردم ، بنابراین مکانیک مایع شدم. با این حال ، همه چیز از بین نمی رود: اگر تحصیلات من چیزی را به من آموخت ، این است که کوسه ها در آب زندگی می کنند و آب مایع است.

آب مایع است ، اما هوا ، خون و عسل نیز همینطور است. بزاق ، خمیردندان ، نئون ، مشتری – من فکر می کنم (توجه داشته باشید از آلن دافی: بله ، مشتری یک سیال است ..! مانند هر چیز دیگری که جریان دارد. در حقیقت ، ما هر روز توسط مایعات احاطه شده ایم ، اما هنوز هم ما به طور کامل نمی فهمیم که چرا آنها به روشی که گاهی اوقات انجام می دهند ، وارد می شوند. ناپایدار و سپس به یک رژیم جریان کثیف و آشفته تبدیل شد.

تلاطم مایع نگه داشته می شود (هرج و مرج ریاضی ، من می خواهم بگویم – فکر می کنم که جف گلد بلوم در پارک ژوراسیک در مورد پروانه ها صحبت می کند) و ما نمی توانیم هرج و مرج را پیش بینی کنیم ، این بدان معنی است که ما نمی توانیم آشفتگی را پیش بینی کنیم. اگر نتوانیم آن را پیش بینی کنیم ، نمی توانیم آن را کنترل کنیم. با این حال ، به نظر می رسد کوسه ها این را مرتب کرده اند.

مگر اینکه شما راننده ای باشید که از طریق هر مایع – آب یا هوا حرکت کنید – باید یک نیروی عمدی تر (یا “رانش”) از نیروی مقاومت (یا “کشیدن”) که تجربه می کنید (طبق قوانین جنبش نیوتن) ایجاد کنید. این نیروهای مقاومتی سپس از دو نوع نیروهای مختلف تشکیل می شوند: نیروهای اینرسی مربوط به حرکت جرم مایع و نیروهای چسبناک که ناشی از لایه های مجاور مایعات هستند که سعی در حرکت در بالای یکدیگر دارند. شما هر روز نسخه های مختلفی از این را تجربه می کنید. رسیدن به باد شدید از بدون باد دشوارتر است ، زیرا اینرسی شما از شما می خواهد به جلو حرکت کنید ، اما باد این است که شما را به عقب سوق دهد و بنابراین یک هیپوس (و افراد در این مورد) می توانند سریعتر از زمین بر روی زمین غلبه کنند (زیرا هوا نسبت به آب چسبناک تر است

وقتی شنا می کنیم ، پاهای خود را لگد می زنیم (شاید وحشی ، بسته به مدت زمانی که ساحل را به عنوان بچه ها گذراندیم) تا خودمان را از آب پشت سر خود بیرون بیاوریم و از دستان خود استفاده کنیم تا به سمت آب جلوی ما بکشیم. با مقایسه ، کوسه ها و سایر حیوانات آبزی به وضوح زمان زیادی را به موقع گذرانده اند و در شناگران کاملاً چشمگیر در حال تکامل هستند. و این بدون توضیح قوانین نیوتن است.

فلژل ها ، مانند اسپرم و برخی از باکتری ها ، از یک پرچم (ضمیمه مانند wee) برای رانندگی استفاده می کنند تا پرچم را از سمت یا حرکت مارپیچی ضرب و شتم کند تا به جلو حرکت کند. شانه هایی از شناگران وجود دارد ، مانند برخی از سخت پوستان که از پاها یا حتی آنتن های شنا استفاده می کنند (کمی شبیه ما ، اما بهتر). بسیاری از سفالوپودها ، از جمله دوستان اختاپوس Octopus محبوب من ، از یک فرم درایو واکنشی استفاده می کنند که در آن آنها حفره عضلات را با آب پر می کنند و سپس آن را بی حس می کنند تا در جهت مخالف آب دور ریخته شده حرکت کنند. (دقیقاً مثل موتور جت که از آب به جای گاز استفاده می کند … آنچه اکنون می دانید نیز یک مایع است.)

لاک پشت های دریایی ، پنگوئن ها و شیرهای دریایی از باله های قفسه سینه خود برای حرکت از طریق آب استفاده می کنند ، و Tardigrads به سادگی مانند سگ های کوچک و عجیب با هشت پا شنا می کنند. برخی از حیوانات بی مهره مانند کرم ها ، بدن خود را برای ایجاد یک درایو برخلاف مارهای دریایی ، که از مزایای اضافی دم مانند دم برخوردار هستند ، برای ایجاد ضربه ای کمی اضافی تجسم می دهند. بسیاری از ماهی ها غالباً از این تکنیک لرزان ، بدنهای موج دار استفاده می کنند یا باله های خود را دریغ می کنند.

کوسه ها ، همچنین به عنوان پادشاهان همه ماهی یا یوزپلنگ اقیانوس شناخته می شوند (اظهار نظر به خواننده: هنوز هیچ یک از این نام ها توسط جامعه علمی گسترده تر تأیید نشده است) دارای باله های فوق العاده قوی هستند که باعث بلند کردن پویا می شوند و آنها را به جلو سوق می دهند. در حقیقت ، این خلاصه ای است: بیش از 500 گونه کوسه وجود دارد و من بدون توجه به لکه ها ، وببگونگ را به عنوان یک یوزپلنگ اقیانوس رفتار نمی کنم.

من در مورد آن کوسه ها با سرهای تهدیدآمیز تر ، مانند سفید بزرگ ، فکر می کنم ، و این باعث می شود در آینده در یک قفس در قفس خفه شوم. این کوسه ها برای حرکت به جلو از دم یا باله سنگی خود استفاده می کنند و آب را به دور باله های قفسه سینه خود فشار می دهند ، که می تواند به سمت بالا و پایین کج شود تا یک آسانسور مثبت یا منفی برای حرکت به سمت بالا و پایین ایجاد شود. در کنار باله های عمودی آنها ، که به کوسه ها اجازه می دهد از کنار آن حرکت کنند ، این ترتیب به کوسه ها می دهد که مانور باورنکردنی معادل یک ماشین (تقریباً برابر با یک میز کوسه) باشد و یک چرخش پشت در اتاق نشیمن شما انجام دهد.

با این حال ، چیز دیگری وجود دارد که در کوسه و نحوه تعامل آن با مایع اطراف کاملاً قابل توجه است. برای درک اینکه چیست ، ما فقط باید به سمت پوست برویم. کوسه های شنا سریع دارای پوستی هستند که از میلیون ها مقیاس کوچک به شکل دندان های معروف به دندان های پوستی یا پوسته های پلاکوئیدی تشکیل شده است. این دندان های دندان به کوسه اجازه می دهد تا مکانیست های مایع در سراسر جهان را برای دستیابی به آن بسازند: آنها در حالت های جریان آشفته ، کشیدن را کاهش می دهند.

هنگامی که مایع در اطراف یک جسم جریان می یابد ، در سطح مولکولی ، مایع به طور مستقیم در مجاورت سایت تمایل دارد به جای اینکه آن را بکشید ، به سطح بچسبد. در پویایی مایع ، از آنجا که ما بسیار خلاق هستیم ، این را “حالت بدون مرز بدون لغزش” می نامیم. مایع به لایه ها جریان می یابد به طوری که لایه بعدی (مولکولی) مایع تقریباً با همان سرعت لایه چسبنده حرکت می کند ، اما همچنین تحت تأثیر لایه بعدی قرار می گیرد که به نوبه خود تحت تأثیر بعدی قرار می گیرد و این اتفاق دوباره و دوباره اتفاق می افتد تا اینکه به لایه ای برسیم که تقریباً سرعت مایع حرکت می کند (“سرعت جریان آزاد”.

نتیجه یک لایه نازک از مایعات است که در آن سرعت به سرعت از آن شی به سرعت جریان آزاد تغییر می کند. در مکانیک مایع ما این لایه را “لایه مرزی” می نامیم و ضخامت لایه مرزی به ویسکوزیته مایع بستگی دارد ، با مایعات چسبناک تر از لایه های مرزی بیشتر از مایعات چسبناک کمتر است. اگر به یک حمام عسل تبدیل شوم ، لایه مرزی عسل که روی من تشکیل شده است (“شی”) بزرگتر از لایه مرزی تشکیل شده است اگر من در پشم با آب چرخیدم. با این حال ، هر دو لایه مرزی مرز بیشتری نسبت به یک لایه مرزی از جین دارند. لایه های مرزی در شرایطی بوجود می آیند که هر مایع چسبناک (تمام آن مایعات که قبلاً در مورد آنها صحبت کردیم) با یک شیء یا مرز جامد که به طور کلی در همه جا است ، ملاقات می کنند.

هنگامی که لایه مرزی به خوبی نگهداری می شود و به درستی در لایه ها جریان می یابد ، به آن لایه ای می گویند. با این حال ، اگر لایه مرزی ناپایدار شود ، که اغلب می تواند در یک مایع سریع جریان داشته باشد ، مانند آب عبور از یک کوسه که در اطراف لایه اقیانوس حرکت می کند می تواند از سطح سایت جدا شود. این نقطه جداسازی نقطه جدایی نامیده می شود. در صورت جدا شدن ، این لایه با مایع به سرعت در حال حرکت روبرو می شود و جریانی را تشکیل می دهد که آشفته می شوند و یک “بیداری آشفته” در پشت جسم ایجاد می کنند ، که باعث می شود کشیدن. این دقیقاً همان چیزی است که ما نمی خواهیم روی سطح یک هواپیما ببینیم: کشیدن بیشتر به معنای افزایش نویز و اتلاف انرژی است که باعث می شود دشت ها کنترل های کمتری و به خطر بیایند.

کوسه ها این معما را محدود کرده اند. شکاف بین دندانهای پوستی آنها اساساً جیب های میکروسکوپی را فراهم می کند که در آن این گردابهای جدا شده می توانند هرج و مرج چرخان خود را جمع کنند ، که این امکان را می دهد تا مایعات به سرعت در حال حرکت مستقیم از بالای بالا جریان یابد و باعث کاهش کلی آن می شود. بنابراین ، توپ های گلف وجود دارد: مجبور کردن تشکیل گردابهای ریز (و در نتیجه یک لایه مرزی نازک) اندازه بیداری را کاهش می دهد و مقاومت احساس شده توسط توپ را به حداقل می رساند. حرکت کوسه (کمی) پیچیده تر از توپ گلف است ، اما فیزیک در اصل یکسان است. (برخی از کوسه ها با حرکت صنایع سریع ، کل مشکل را محاصره کرده اند.

باله یا بدون باله ، یک چیز مطمئناً است: تلاطم تقریباً در هر شرایطی که جریان می یابد اتفاق می افتد. این تلاطم در هر مقیاس ، از ساختارهای کوچک و گرداب بین دندانهای پوستی کوسه ، گرفته تا شیر در قهوه صبح شما ، تا گرداب و گرداب در یک رودخانه سریع ، تا حد جریانات موجود در جوهای زمین ، گرفته تا انبوه کرونر از خورشید بوجود می آید. اگر می توانستیم درک کنیم که چگونه و چرا این اتفاق می افتد ، می توانیم طیف کاملی از کارهای مفید را انجام دهیم ، مانند بهبود قابلیت اطمینان و کاهش خطر مرتبط با انرژی جایگزین مانند باد و عجله. یا درک بهتر و مدل سازی “جریان آشفته مردم” – جمعیت ، هجوم گروه های بزرگ و مهاجرت انبوه.

ما همچنین در مخلوط کردن چیزها ، کارآمدتر را بهبود می بخشیم ، که برای هر دو کاربرد اصلی برای فرآیندهای صنعتی و هنر ظریف تهیه میلو مهم است. و ما قادر خواهیم بود هواپیماهای بهتری را بسیار سریعتر و کارآمدتر از سوخت نسبت به تمام موارد قبلی طراحی کنیم (به عنوان یک کنکورد ، اگر پر سر و صدا نبود ، و هیچ موتورهای بسیار ناکارآمد وجود نداشت ، هیچ بال برای کروز مافوق صوت ، که به ویژه در هنگام برخاستن ، فرود و زیر پرواز مؤثر نیستند).

اما همانطور که در بالا ذکر شد ، تلاطم انتقالی کاملاً پیچیده است. بنابراین ، همانطور که ما همچنان از این کار (هنوز هم غیرمجاز) یک چالش بزرگ فیزیک مایع فاصله می گیریم ، می توانیم از پادشاهی حیوانات یاد بگیریم ، که هزاره تکامل آنها باعث می شود آنها در همه چیز بیشتر از ما بهتر شوند. به استثنای بروس ، کوسه مکانیکی فک هایی که هرگز دندانهای دندان پوستی نداشته اند و در نتیجه بازنشستگی بوده است.