Neue Erkenntnisse von Ingenieuren der Johns Hopkins University, die mit einer High-Tech-Simulation von Makrelenschwärmen arbeiten, bieten Einblicke in die Gründe, warum Fische in Schwärmen schwimmen, und versprechen die Entwicklung und den Betrieb viel leiserer U-Boote und autonomer Unterwasserfahrzeuge.
„Es ist allgemein bekannt, dass das Schwimmen in Gruppen den Fischen zusätzlichen Schutz vor Raubtieren bietet, aber wir fragten uns, ob es auch dazu beiträgt, ihren Lärm zu reduzieren“, sagte der leitende Autor Rajat Mittal. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der erhebliche Rückgang ihrer akustischen Signatur beim Schwimmen in Gruppen im Vergleich zum Alleinschwimmen tatsächlich ein weiterer Faktor sein könnte, der die Bildung von Fischschwärmen vorantreibt.“
Die Arbeit ist veröffentlicht In Bioinspiration und Biomimetik.
Das Team erstellte ein 3D-Modell auf der Grundlage der Makrele, um die unterschiedliche Anzahl schwimmender Fische zu simulieren, ihre Formationen zu verändern, wie nahe sie beieinander schwammen und inwieweit ihre Bewegungen synchronisiert waren. Das auf viele Fischarten anwendbare Modell simuliert ein bis neun Makrelen, die von ihren Schwanzflossen vorwärtsgetrieben werden.
Das Team stellte fest, dass ein Fischschwarm, der sich auf die richtige Art und Weise zusammenbewegte, erstaunlich wirksam bei der Lärmreduzierung war: Ein Schwarm von sieben Fischen klang wie ein einzelner Fisch. Bildnachweis: Johns Hopkins University
Das Team stellte fest, dass ein Fischschwarm, der sich auf die richtige Art und Weise zusammenbewegte, erstaunlich wirksam bei der Lärmreduzierung war: Ein Schwarm von sieben Fischen klang wie ein einzelner Fisch.
„Ein Raubtier, etwa ein Hai, könnte es so wahrnehmen, als würde es einen einzelnen Fisch hören, statt einer Gruppe“, sagte Mittal. „Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf Beutefische haben.“
Das Team stellte fest, dass der größte Schlüssel zur Schallreduzierung die Synchronisierung des Schwanzflatterns der Schule war – oder eigentlich das Fehlen davon.
Wenn Fische sich gleichzeitig bewegten und gleichzeitig mit den Schwanzflossen schlugen, summierte sich das Geräusch und es kam zu keiner Verringerung des Gesamtgeräuschs. Die Forscher stellten jedoch fest, dass die Fische die Geräusche der anderen Fische gegenseitig auslöschten, wenn sie ihre Schwanzklappen abwechselten.
Wenn Fische sich gleichzeitig bewegten und gleichzeitig mit den Schwanzflossen schlugen, summierte sich das Geräusch und es kam zu keiner Verringerung des Gesamtgeräuschs. Bildnachweis: Johns Hopkins University
„Schall ist eine Welle“, sagte Mittal. „Zwei Wellen können sich entweder addieren, wenn sie genau in Phase sind, oder sie können sich gegenseitig aufheben, wenn sie genau phasenverschoben sind. Genau das passiert hier, obwohl es sich um schwache Geräusche handelt, die für einen Menschen kaum hörbar wären. „
Die Schwanzflossenbewegungen, die Geräusche reduzieren, erzeugen auch Strömungswechselwirkungen zwischen den Fischen, die es den Fischen ermöglichen, schneller zu schwimmen und dabei weniger Energie zu verbrauchen, sagte Hauptautor Ji Zhou, ein Johns Hopkins-Absolvent, der Maschinenbau studiert.
„Wir sind der Meinung, dass die Reduzierung von Strömungsgeräuschen nicht auf Kosten der Leistung gehen muss“, sagte Zhou. „Wir haben Fälle gefunden, in denen eine signifikante Reduzierung des Lärms aufgrund der hydrodynamischen Wechselwirkungen zwischen den Schwimmern mit einer spürbaren Steigerung des Pro-Kopf-Schubs einhergeht.“
Das Team war überrascht, als es feststellte, dass die Vorteile der Schalldämmung eintreten, sobald sich ein schwimmender Fisch einem anderen anschließt. Die Lärmreduzierung nimmt zu, je mehr Fische sich einem Schwarm anschließen, aber das Team geht davon aus, dass die Vorteile irgendwann nachlassen werden.
„Schon allein das Zusammensein und das Schwimmen auf irgendeine Art tragen dazu bei, die Geräuschsignatur zu reduzieren“, sagte Mittal. „Es ist keine Koordination zwischen den Fischen erforderlich.“
Als nächstes plant das Team, Meeresturbulenzen in die Modelle einzubauen und Simulationen zu erstellen, die es den Fischen ermöglichen, „freier“ zu schwimmen.
Mehr Informationen:
Ji Zhou et al., Auswirkung von Schulbildung auf strömungserzeugte Geräusche von karangiformen Schwimmern, Bioinspiration und Biomimetik (2024). DOI: 10.1088/1748-3190/ad3a4e