Ana sayfa Bilim Gündemi Evrim en verimli kanadı nasıl inşa etti?

Evrim en verimli kanadı nasıl inşa etti?

659
PAYLAŞ
Yüzen ve uçan canlıların itme üreten (turuncu) ve sürtünme üreten (mavi) bölgeleri itici (şekilde gösterilen salınım yapan kanat kesidi) bölgeden örnek alınarak ayrıştırılabilinir. © Proceedings of the National Academy of Sciences (2018).

Çeviren: Yıldız Mutlu

Yüzen ve uçan hayvanlar, iticileri -kuşlar için kanatları ve balıklar için kuyruk yüzgeçleri- sayesinde itme üreterek, kendi ortamlarında seyretmek için en ideal şekilde adapte olmuşlardır. Milyonlarca yıldan fazla sürede, bu hayvanların morfolojisi maksimum verimli seyir için evrimleşmiştir ve yaklaşık otuz yıl önce araştırmacılar, çoğu yüzücü hayvanların  dar bir Strouhal sayı aralığında – bu sayılar salınan akışı tanımlayan boyutsuz sayılardır- seyrettiklerini önerdi. Son yapılan çalışmalar sonucunda araştırmacılar, uçan hayvanların da aynı Strouhal sayı aralığında seyrettikleri konusunda fikir birliğine vardılar.

Özellikle, yüzen ve uçan hayvanlar için, Strouhal sayısı St=f / U*A şeklinde tanımlanmaktadır. Denklemde f salınım frekansı, U akış hızı ve A salınım genliği olarak tanımlanmıştır. Yüzen ve uçan hayvanların seyrettikleri dar Strouhal sayı aralığı ise 0.2 < St < 0.4 şeklindedir.

Aralığın anlamı

Peki, neden bu dar sayı aralığı hayvanlar için en verimli aralık? Bu soruyu cevaplayabilmek için, Princeton Üniversitesi’ndeki makine mühendislerinden Daniel Floryan, Tyler Van Buren ve Alexander J. Smits, yüzen ve uçan hayvanların verimliliğine dair bir çalışma yürüttü.

Mühendisler, daha önceki çalışmalarda kullanılan su tünelinde bir kanat kesiti içeren deneysel bir düzeneği kullandı. Kanat kesidi biyolojik olarak alakalı aşağı-yukarı hareketini ve fırlatma hareketini gerçekleştirirken sensörler tarafından ölçüldü. Araştırmacılar, olası tüm kinetik parametre kombinasyonlarını kullanarak deneyler gerçekleştirdi ve sonuç olarak elde ettikleri verileri matematiksel olarak analiz etti.

Sürüklenme hiçbir zaman yok edilemeyeceği için aslında üst düzeyde bir verim pek olası değil. Fakat deney için seçilen hayvanlar, en verimli aralık olarak kabul edilen dar aralığa en uygun evrimleşenler olarak seçildi.

Sabit bir hızda yüzen bir hayvan kuyruk yüzgeci ile itki oluşturur. Kendi bedeni ve hareket süresi boyunca yansıtılan, itki oluşturan bölgenin ön alanından kaynaklanan karşı sürtünme olmak üzere iki farklı kaynaktan sürtünmeye maruz kalır.

Uçan hayvanlar için, iticilerinin itki üretmesi yanında, yerçekimine de karşı koyması gerektiği için fizik biraz daha farklı. Ancak, sabit hızda seyreden hayvanın kaldırma üretme ihtiyacı itmenin ve sürtünmenin fiziğini etkilemez.

Deneyin yeniliği ve diğerlerinden farkı

Daha önceki araştırmalarda, araştırmacılar büyük genlikli hareketlerin verimli seyir için Strouhal sayısını belirlediğini önermişti. Şu anki çalışmanın araştırmacıları, genliğin ideal Strouhal sayısını belirlemeden toplam verimi belirlediğini savunuyor. Onun yerine yazarlar, “karşı sürüklenmenin düşük Strouhal davranışının belirlenmesinde ve en yüksek verimin oluştuğu belirli Strouhal’un ayarlamasında çok önemlidir” diye belirtti.

Bu durumda araştırmalar sonucunda, kilit noktanın sürükleme kuvveti olduğu ortaya çıkmakta. Analizlerine dayanarak, araştırmacılar yüzen ve uçan hayvanların yüksek verimli seyirlerini tanımlayan Strouhal sayı aralığının büyük oranda yüzgeç ve kanatlara uygulanan akışkanın sürüklemesinden dolayı kaynaklandığı sonucuna vardı. Araştırmacılar makalelerinde durumu: “Başka bir deyiş ile, enerjik hususlar iticinin kinematiklerini en verimli şekilde ayarlar ve en yüksek verimde iticinin net itmesi seyir hızının ayarlanması için gereken sürüklemeyi dengeler” şeklinde açıklıyor.