Ранее исследователи моделировали процессы, происходящие с двухмерным округлым цилиндром, который был помещён в поток жидкости, текущей от его передней части к задней. При этом оказалось (в аэродинамике это давно не секрет), что поток за цилиндром состоит из закручивающихся вихрей. А вихри, обтекающие цилиндр сверху, являются копиями тех, что обтекают его снизу; иными словами, между этими группами вихрей есть симметрия.
Когда сходные процессы происходят с конечностями живых существ при регулярном взмахивании (гребле), вихри развиваются таким же образом. Но если две сохраняющих симметрию обтекания системы взаимодействуют между собой, дело усложняется. Так, если короткую тонкую нить присоединить к задней части цилиндра, то она будет пассивно осциллировать (колебаться) либо в верхней, либо в нижней части «кильватерной струи» цилиндра. В итоге симметрия нарушается: вихри становятся разной силы, и результирующая оказывается направленной либо вверх, либо вниз. Авторы работы ассоциируют происходящее с вихревыми дорожками фон Кармана. «Нарушение симметрии вызывает асимметричное распределение давлений вокруг тела, которое оборачивается ненулевыми результирующими силами и ненулевой тягой, — поясняет г-н Багхери. — Этот переход, бифуркация от симметричной гребли к несимметричной возникает тогда, когда морской ангел уменьшает длину эластичных нитей [ресничек]. Очень длинные эластичные нитевидные структуры, прикрепленные к заднему концу тела, будут колебаться (как флаг, развевающийся на древке) в том же направлении, что и входящий поток. Но, как мы показали, как только нитевидная структура становится короче определённого критического значения, всё происходит иначе».
Интересно, что в ходе этого фазового перехода результирующая сила от потока, идущего в противоположном моллюску направлении, начинает помогать ему двигаться навстречу потоку, примерно как при движении парусного судна в бейдевинд. Только «бейдевинд» морского ангела настолько эффективен, что действует даже в положении левентик — то есть при течении (потоке), направленном прямо в лоб животному.
Строго говоря, гидродинамически всё это происходит небесплатно. Реснички, выставленные в поток, создают некоторое сопротивление. Но, во-первых, оно невелико из-за умеренной скорости моллюска, а во-вторых, реснички и так уже находятся на его теле, поэтому сопротивление имело бы место в любом случае. Словом, такую подъёмную силу действительно следует квалифицировать как «бесплатную».
«Всё это может принести пользу в технологических приложениях, там, где необходимо создать боковую или подъёмную силу, воздействующую на тело без увеличения сопротивления окружающей среды, — полагает г-н Багхери. — Неожиданно здесь то, что если мы сравним сопротивление для тел без таких эластичных [нитевидных] структур и тел с такими структурами, то сопротивление в отношении вторых не выше, чем для первых». Кстати, не очень ясно, насколько это, казалось бы, экстраординарное утверждение верно для тел в воздушной, а не водной среде. Однако итальянские физики ещё до экспериментов полагают, что взаимодействие перьев птиц с потоком набегающего воздуха построено по тому же принципу. А значит, сходные технологические приспособления могут быть применены в летательных аппаратах…
