Рыбы в стае издают меньше шума, чем одиночная особь
Инженеры Университета Джонса Хопкинса с помощью высокотехнологичного моделирования стаи скумбрий выяснили, почему рыбы плавают косяками. Это открытие может помочь в проектировании более тихих подводных лодок и автономных подводных аппаратов.
«Хорошо известно, что плавание в группах даёт рыбам дополнительную защиту от хищников, но мы задались вопросом, способствует ли оно также снижению производимого ими шума», — сказал старший автор работы Раджат Миттал. «Наши результаты показывают, что существенное снижение акустической сигнатуры при плавании в группах по сравнению с одиночным плаванием действительно может быть ещё одним фактором, стимулирующим образование косяков».
Исследование опубликовано в журнале Bioinspiration & Biomimetics.
Команда создала 3D-модель на основе обыкновенной скумбрии, чтобы смоделировать плавание разного количества рыб, меняя их построение, дистанцию между ними и степень синхронизации движений. Модель, применимая ко многим видам рыб, симулирует движение от одной до девяти скумбрий, продвигающихся вперёд за счёт хвостовых плавников.
Команда обнаружила, что стая рыб, движущихся определённым образом, поразительно эффективно снижает шум: стая из семи рыб звучала как одна рыба.
«Хищник, например акула, может воспринимать это как звук одной рыбы, а не группы, — сказал Миттал. — Это может иметь важные последствия для рыб-жертв».
Главным ключом к снижению шума, по мнению команды, стала синхронизация взмахов хвостом в стае — а точнее, её отсутствие.
Если рыбы двигались в унисон, взмахивая хвостовыми плавниками одновременно, звук суммировался, и общего снижения шума не происходило. Но если они чередовали взмахи хвостами, рыбы гасили звук друг друга.
«Звук — это волна, — пояснил Миттал. — Две волны могут либо усиливать друг друга, если они находятся точно в фазе, либо гасить, если они в противофазе. Здесь происходит нечто подобное, хотя речь идёт о слабых звуках, едва слышимых для человека».
Движения хвостового плавника, снижающие шум, также создают гидродинамическое взаимодействие между рыбами, которое позволяет им плыть быстрее, затрачивая меньше энергии, сказал ведущий автор Цзи Чжоу.
«Мы обнаружили, что снижение шума, генерируемого потоком, не обязательно происходит за счёт производительности, — сказал Чжоу. — Мы нашли случаи, когда значительное снижение шума сопровождается заметным увеличением тяги на одну особь благодаря гидродинамическим взаимодействиям между пловцами».
Команда с удивлением обнаружила, что преимущества в снижении шума проявляются, как только одна плывущая рыба присоединяется к другой. Снижение шума растёт с увеличением размера стаи, но команда ожидает, что в какой-то момент преимущества перестанут накапливаться.
«Простое нахождение вместе и плавание в любом порядке способствует снижению акустической сигнатуры, — сказал Миттал. — Не требуется никакой координации между рыбами».
Далее команда планирует добавить в модели океанскую турбулентность и создать симуляции, позволяющие рыбам двигаться более «свободно».