Modell zeigt, wie Fische ihre Schwanzflossen synchronisieren, um Energie zu sparen

Forscher der Universität Tohoku haben ein Modell entwickelt, das die Bewegung von Fischschwanzflossen simuliert. Das Modell deckt die zugrunde liegenden Mechanismen auf, die einem häufig bei Fischen beobachteten Phänomen zugrunde liegen: Wie sie die Bewegung ihrer Schwanzflossen synchronisieren, auf den daraus resultierenden Wirbeln reiten und so Energie sparen.

Details der Forschung waren veröffentlicht im Tagebuch Physik der Flüssigkeiten am 2. November 2023, wo es als hervorgehobener Artikel ausgewählt wurde.

„Eine seit langem bestehende Hypothese über schwimmende Fische ist, dass sie die von anderen Fischen erzeugte Wirbelströmung ausnutzen, um Energie zu sparen“, erklärt Susumu Ito. „Sie arbeiten zusammen, um die umgekehrte Kármán-Wirbelstraße zu nutzen und ihre Schwanzflossen entsprechend anzupassen.“

In der Fluiddynamik handelt es sich bei einem Kármán-Wirbel um wirbelnde Strömungen, die sich hinter einem Objekt bilden, das sich durch eine Flüssigkeit bewegt. Bei der umgekehrten Variante haben die Wirbel eine entgegengesetzte Drehrichtung.

Um mehr über diese Mechanismen zu erfahren, entwickelten die Forscher ein einzigartiges theoretisches Modell, das nicht nur die regelmäßigen muskelgetriebenen Bewegungen und den Einfluss von Wasserkräften berücksichtigt, sondern auch die natürlichen Variationen, wie physiologische Faktoren, die die Bewegung der Fische beeinflussen können. Dadurch konnte das Modell die Art und Weise, wie Fische ihre Aktionen auf natürliche Weise koordinieren, detaillierter nachahmen.

Nach der Durchführung numerischer Simulationen konnten Ito und sein Team die Synchronisation der Schwanzflossen reproduzieren und zeigen, dass sie bei einem Fischpaar bei Entfernungen von weniger als einer halben Körperlänge zu einer deutlichen Verringerung der Energiedissipation führt. Allerdings deuten die Ergebnisse auch darauf hin, dass der typische Zeitpunkt der Flossenbewegungen zwischen zwei Fischen nicht zum optimalen Energiesparen führt.

Darüber hinaus reproduzierte das Modell einige grundlegende Eigenschaften des Soloschwimmens, wie zum Beispiel die Beziehung zwischen Schwimmgeschwindigkeit und Schwanzschlagfrequenz. Das Modell gilt auch für verschiedene Fischarten, die mit einem carangiformen oder subcarangiformen Stil schwimmen, wie zum Beispiel Stöcker, Forelle, Lachs, Karpfen und Goldfisch.

„Wir haben die Dynamik der Synchronisation in biologischen Arten beleuchtet, die auch auf andere Lebewesen wie Vögel, Tiere, Bakterien und sogar einzellige Eukaryoten angewendet werden kann“, fügt Ito hinzu. „Die Vorteile erstrecken sich auch auf die Robotik; die Entdeckung könnte dabei helfen, neue Energiesparstrategien für Gruppen von Drohnen zu finden, die sich koordiniert bewegen.“