Новые открытия инженеров Университета Джонса Хопкинса, работающих над высокотехнологичным моделированием стайной скумбрии, дают представление о том, почему рыбы плавают стаями, и обещают возможность проектирования и эксплуатации гораздо более тихих подводных лодок и автономных подводных аппаратов.
«Широко известно, что плавание группами обеспечивает рыбам дополнительную защиту от хищников, но мы задались вопросом, способствует ли это также снижению их шума», — сказал старший автор Раджат Миттал. «Наши результаты показывают, что существенное снижение их акустической сигнатуры при плавании в группах по сравнению с одиночным плаванием действительно может быть еще одним фактором, способствующим образованию рыбных косяков».
Работа опубликована в журнале Bioinspiration & Biomimetics.
Команда создала 3D- модель на основе обыкновенной скумбрии, чтобы имитировать различное количество плавающих рыб, меняя их построение, насколько близко они подплывали друг к другу, а также степень синхронизации их движений. Модель, применимая ко многим видам рыб, имитирует движение от одной до девяти скумбрии вперед за счет хвостовых плавников.
Команда обнаружила, что косяк рыб, двигавшихся вместе правильным образом, был потрясающе эффективен в снижении шума: стайка из семи рыб звучала как одна рыба.
«Хищник, такой как акула, может воспринимать это как звук одинокой рыбы, а не группы», — сказал Миттал. «Это может иметь серьезные последствия для добычи рыбы».
Команда обнаружила, что самым важным ключом к снижению шума является синхронизация взмахов хвоста школы, а точнее ее отсутствие.
Если рыбы двигались синхронно, одновременно взмахивая хвостовыми плавниками, звук суммировался и общего звука не было. Но если они чередовали взмахи хвостом, рыбы гасили звуки друг друга, обнаружили исследователи.
«Звук — это волна», — сказал Миттал. «Две волны могут либо суммироваться, если они точно совпадают по фазе, либо гасить друг друга, если они точно противофазны. Именно это и происходит здесь, хотя мы говорим о слабых звуках, которые едва слышны человеку».
Движения хвостового плавника, которые уменьшают звук, также создают взаимодействие потоков между рыбами, что позволяет рыбе плавать быстрее, используя меньше энергии, говорит ведущий автор Цзи Чжоу из Университета Джонса Хопкинса.
«Мы обнаружили, что снижение шума, создаваемого потоком, не обязательно должно происходить в ущерб производительности», — сказал Чжоу. «Мы обнаружили случаи, когда значительное снижение шума сопровождается заметным увеличением тяги на душу населения из-за гидродинамического взаимодействия между пловцами».
Команда была удивлена, обнаружив, что преимущества по снижению шума начинают проявляться, как только одна плавающая рыба присоединяется к другой. Снижение уровня шума растет по мере того, как все больше рыб присоединяется к косяку, но команда ожидает, что в какой-то момент преимущества закончатся.
«Простое пребывание вместе и плавание любым способом способствует снижению звуковой сигнатуры», — сказал Миттал. «Никакой координации между рыбами не требуется».
Далее команда планирует добавить в модели турбулентность океана и создать модели, которые позволят рыбам плавать более «свободно».
