企鹅物理学：了解企鹅水下转弯动作的机制 _企鹅

企鹅物理学：了解企鹅水下转弯动作的机制(Credit: Tokyo Tech)
据美国物理学家组织网（by Tokyo Institute of Technology）：企鹅是一个迷人的不会飞的鸟类家族，虽然在陆地上有些笨拙，但却是非常有天赋的游泳者。它们在水中令人难以置信的机动性几十年来一直吸引着生物学家，对它们游泳的首次流体动力学研究可以追溯到20世纪70年代。
虽然很少有研究阐明了企鹅灵巧背后的一些物理学原理，但大多数研究都集中在向前游而不是转身。虽然有人可能会说，现有的关于飞鸟转向机制的研究可能会对这一主题有所启发，但水的密度是空气的800倍，因此这些介质之间采用的转向机制可能非常不同。
为了弥合这一知识鸿沟，包括副教授田中裕人在内的来自东京工业大学(Tokyo Tech)的两位日本科学家最近进行了一项研究。这项发表在《实验生物学杂志》上的工作的主要目标是更好地了解使企鹅在水下转向的三维(3D)运动学和流体动力。
在日本长崎企鹅水族馆，研究人员使用十几个或更多的水下摄像机记录了巴布亚巴布亚巴布亚企鹅在一个大水箱中自由游泳的两个环节。然后，由于一种称为3D直接线性变换的技术，他们能够整合所有镜头的数据，并通过跟踪企鹅身体和翅膀上的各个点进行详细的3D运动分析。
有了这些数据，研究人员随后建立了企鹅的数学3D身体模型。该模型涵盖了身体的方向和角度，每次划水时翅膀的不同位置和运动，相关的运动学参数和水动力，以及各种转弯度量。通过统计分析和与实验数据的比较，研究人员验证了该模型，并深入了解了翅膀和其他身体运动在转弯过程中的作用。
这项研究的主要发现与企鹅如何产生向心力来帮助他们转弯有关。他们实现这一点，部分是通过保持向外倾斜，这意味着他们倾斜身体，使腹部向内。在动力转弯中——企鹅拍打翅膀的动作——大部分方向的改变发生在上行过程中，而向前的推力发生在下行过程中。此外，事实证明，企鹅在动力转向时会以一定的不对称性拍打翅膀。
“我们发现对侧翅膀运动的差异；Assoc解释说:“在上行过程中，转弯内侧的机翼比另一侧更高。田中教授，“机翼力的准稳态计算证实，机翼运动的这种不对称与向外倾斜有助于在向上划水时产生向心力。在接下来的下行冲程中，内侧机翼产生推力和反偏航扭矩来制动转弯。”
总的来说，这些发现有助于更好地理解企鹅游泳时如何转身，这从生物学和工程学的角度来看都是相关的。然而，Assoc 。田中教授评论说，这些发现只是揭开了谜题的一部分:“企鹅其他各种动作的机制，如快速加速、上下颠簸和跳出水面，仍然是未知的。我们的研究为进一步理解更复杂的机动打下了基础。”