Pływanie w ławicach sprawia, że ryby zaskakująco ukrywają się pod wodą, a grupa może wydawać dźwięki jak pojedyncza ryba.
Nowe odkrycia dokonane przez inżynierów z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, pracujących nad zaawansowaną technologicznie symulacją ławic makreli, dają nowy wgląd w to, dlaczego ryby pływają w ławicach, i dają nadzieję na projektowanie i działanie znacznie cichszych łodzi podwodnych i autonomicznych pojazdów podwodnych.
„Powszechnie wiadomo, że pływanie w grupach zapewnia rybom dodatkową ochronę przed drapieżnikami, jednak zastanawialiśmy się, czy przyczynia się to również do ograniczenia hałasu” – powiedział starszy autor Rajat Mittal. „Nasze wyniki sugerują, że znaczny spadek ich sygnatury akustycznej podczas pływania w grupie w porównaniu z pływaniem w pojedynkę może rzeczywiście być kolejnym czynnikiem wpływającym na powstawanie ławic ryb”.
Praca została niedawno opublikowana w czasopiśmie Bioinspiration & Biomimetics.
Zespół stworzył model 3D oparty na makreli zwyczajnej, aby symulować różną liczbę pływających ryb, zmianę ich ułożenia, bliskość siebie i stopień zsynchronizowania ich ruchów. Model, który dotyczy wielu gatunków ryb, symuluje od jednej do dziewięciu makreli napędzanych do przodu przez płetwy ogonowe.
Zespół odkrył, że ławica ryb poruszających się razem we właściwy sposób była zdumiewająco skuteczna w redukcji hałasu: ławica siedmiu ryb brzmiała jak pojedyncza ryba.
„Drapieżnik, taki jak rekin, może postrzegać to jako słyszenie samotnej ryby, a nie grupy” – powiedział Mittal. „Może to mieć znaczące konsekwencje dla ryb będących ofiarami”.
Zespół odkrył, że najważniejszym kluczem do redukcji dźwięku była synchronizacja machania ogonem szkoły – a właściwie jej brak.
Jeśli ryby poruszały się zgodnie, machając jednocześnie płetwami ogonowymi, dźwięk sumował się, a całkowity dźwięk nie ulegał zmniejszeniu. Naukowcy odkryli jednak, że jeśli naprzemiennie machali ogonami, ryby tłumiły wzajemne dźwięki.
„Dźwięk jest falą” – powiedział Mittal. „Dwie fale mogą się sumować, jeśli są dokładnie w fazie, lub mogą się wzajemnie znosić, jeśli są dokładnie w przeciwfazie. W tym przypadku właśnie tak się dzieje, chociaż mówimy o słabych dźwiękach, które są ledwo słyszalne dla człowieka. “
Ruchy płetwy ogonowej, które redukują dźwięk, generują również interakcję przepływu między rybami, co pozwala rybom pływać szybciej przy mniejszym zużyciu energii, powiedział główny autor Ji Zhou, absolwent Johnsa Hopkinsa studiujący inżynierię mechaniczną.
„Uważamy, że redukcja hałasu generowanego przez przepływ nie musi odbywać się kosztem wydajności” – powiedział Zhou. „Znaleźliśmy przypadki, w których znacznej redukcji hałasu towarzyszył zauważalny wzrost ciągu na mieszkańca, wynikający z interakcji hydrodynamicznych między pływakami”.
Zespół ze zdziwieniem odkrył, że korzyści w zakresie redukcji dźwięku zaczynają działać, gdy tylko jedna pływająca ryba połączy się z drugą. Redukcja hałasu rośnie w miarę dołączania do ławic coraz większej liczby ryb, ale zespół spodziewa się, że korzyści w pewnym momencie ustaną.
„Samo przebywanie razem i pływanie w jakikolwiek sposób przyczynia się do zmniejszenia sygnatury dźwiękowej” – powiedział Mittal. „Nie jest wymagana żadna koordynacja między rybami”.
Następnie zespół planuje dodać do modeli turbulencje oceaniczne i stworzyć symulacje, które pozwolą rybom pływać bardziej „swobodnie”.