上浒充鱼大漫 Shanshal gina Tans Untuirsity 上海交通大学通识教育课程 力学仿生一启示与探索 第三章鱼类游动的能耗、效率和推力 教师： 陈俐 电话： 13916681363 地址： 木兰楼B629 Email: li.h.chen@sjtu.edu.cn 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院
上海交通大学通识教育课程 力学仿生 —— 启示与探索 第三章 鱼类游动的能耗、效率和推力 教师： 陈俐 电话： 13916681363 地址： 木兰楼B629 Email： li.h.chen@sjtu.edu.cn 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院
本课时内容 ·了解鱼为什么会自主游动？ ·其体内的能源供给和转换过程及其效率如何？ ·鱼的推力是怎样产生的？
本课时内容 • 了解鱼为什么会自主游动？ • 其体内的能源供给和转换过程及其效率如何？ • 鱼的推力是怎样产生的？
鱼类的非凡能力 ·鱼类是最早的真骨类脊椎动物，已经进化了几亿年 ,为了攫取食饵、逃避敌害、生殖繁衍和集群徊游 等生存需要，经历了漫长的环境适应的自然选择过 程，因此发展了各具特色的在水中运动的非凡能力， 一既可以在持久游速下保持低能耗、高效率 一也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性 3
鱼类的非凡能力 • 鱼类是最早的真骨类脊椎动物, 已经进化了几亿年 , 为了攫取食饵、逃避敌害、生殖繁衍和集群徊游 等生存需要, 经历了漫长的环境适应的自然选择过 程,因此发展了各具特色的在水中运动的非凡能力, – 既可以在持久游速下保持低能耗、高效率 – 也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性 3
鱼类的自主运动 ·鱼类好比一台有生命的机器， 一在它的神经信号控制下， 一指挥其体内肌肉中占很大比例的一种叫做推进肌， 产生收缩动作（相当于原动机）， 带动鱼体内的被动生物组织（包括皮肤和脊柱）， 一一起实现波状摆动， 将肌肉中蕴藏的生化能转化为机械能， 一从而得以在水中自主游动 ·经过漫长的进化过程，这种生命机器的整体功能是 接近于最优的 4
鱼类的自主运动 • 鱼类好比一台有生命的机器, – 在它的神经信号控制下, – 指挥其体内肌肉中占很大比例的一种叫做推进肌, 产生收缩动作（相当于原动机） , – 带动鱼体内的被动生物组织（包括皮肤和脊柱） , – 一起实现波状摆动, – 将肌肉中蕴藏的生化能转化为机械能, – 从而得以在水中自主游动 • 经过漫长的进化过程, 这种生命机器的整体功能是 接近于最优的 4
鱼游运动生物力学 ·鱼游运动生物力学的研究任务是要从整体上探索 鱼作为一种生命机器的力学设计概念及其理论， 包括： 一神经控制 一肌肉力学 - 生物材料性能 一鱼的形态和运动观测（运动学) 一水中推进机制（外部流体力学) 一能量转换及其效率（力能学） 等等 5
鱼游运动生物力学 • 鱼游运动生物力学的研究任务是要从整体上探索 鱼作为一种生命机器的力学设计概念及其理论， 包括： – 神经控制 – 肌肉力学 – 生物材料性能 – 鱼的形态和运动观测（运动学） – 水中推进机制（外部流体力学） – 能量转换及其效率（力能学 ） – 等等 5
研究鱼游的运动生物力学的意义 。 其一，生物学家研究鱼类的比较生物学时需要探索 鱼游的力学效应对鱼类的生理学、生态学、动物 行为、微观进化和宏观进化的影响 0 其二，是工程技术专家研究鱼游的仿生学的需要， 希望对这一生命机器的力学设计思想获得启示 ·当前人造机器的性能还很不理想，例如 一船用螺旋桨的流体推进效率不超过40%，而鱼游的 相应效率可达80%以上 一鱼游的高机动性和稳定性以及低噪声等先进指标 更使潜艇望尘莫及 6
研究鱼游的运动生物力学的意义 • 其一,生物学家研究鱼类的比较生物学时需要探索 鱼游的力学效应对鱼类的生理学、生态学、动物 行为、微观进化和宏观进化的影响 • 其二, 是工程技术专家研究鱼游的仿生学的需要, 希望对这一生命机器的力学设计思想获得启示 • 当前人造机器的性能还很不理想, 例如 – 船用螺旋桨的流体推进效率不超过40%, 而鱼游的 相应效率可达80%以上 – 鱼游的高机动性和稳定性以及低噪声等先进指标 更使潜艇望尘莫及 6
惯性力与粘性力 ·在流体力学中用雷诺数Re=U儿y来表示惯性力和 粘性力之比，以反映流体对运动物体的粘性作用的 相对大小 一它与鱼的游速U和体长L成正比 -与运动粘性系数Y成反比 。 在鱼游问题中，由于水介质的运动粘性系数变化很 小，自然是体形越大，游速越高，则其雷诺数越高 7
惯性力与粘性力 • 在流体力学中用雷诺数Re=UL/γ来表示惯性力和 粘性力之比, 以反映流体对运动物体的粘性作用的 相对大小 – 它与鱼的游速U 和体长L 成正比 – 与运动粘性系数γ成反比 • 在鱼游问题中, 由于水介质的运动粘性系数变化很 小, 自然是体形越大, 游速越高, 则其雷诺数越高 7
鱼游的雷诺数范围 ·据统计，鱼和海洋哺乳动物游动的雷诺数范围介于 104和108量级之间 在这个范围内，可以按照鱼体的形态及其运动形式 粗分为三种模式（以雷诺数从低到高为序） 一鳗鲡模式：鳗鲡模式（例如水蛇)是指整个鱼体从 头到尾作波状摆动，而且波幅基本不变，或向后略 有增加 一鲹科模式：鱼体后段逐渐缩小，形成尾柄，然后连 接展弦比大的尾鳍，鱼的前体基本失去柔性，波状 摆动主要集中于后体，特别是从尾柄到尾鳍处，波 幅急剧增大 一牙尾推进： 8
鱼游的雷诺数范围 • 据统计, 鱼和海洋哺乳动物游动的雷诺数范围介于 10 4 和10 8量级之间 • 在这个范围内, 可以按照鱼体的形态及其运动形式 粗分为三种模式 (以雷诺数从低到高为序 ) – 鳗鲡模式：鳗鲡模式（例如水蛇）是指整个鱼体从 头到尾作波状摆动, 而且波幅基本不变, 或向后略 有增加 – 鲹科模式：鱼体后段逐渐缩小，形成尾柄，然后连 接展弦比大的尾鳍，鱼的前体基本失去柔性，波状 摆动主要集中于后体，特别是从尾柄到尾鳍处，波 幅急剧增大 – 牙尾推进： 8
月牙推进 ·月牙尾推进是指海洋大型鱼（例如鳖)和海洋哺 乳动物（例如鲸、海豚）具有大展弦比的月牙形 尾鳍，这些动物主要依靠月牙尾的大幅摆动，实现 高速和高效推进 其巡游速度可高达20节（相当于36kmh) - 流体推进效率可高达80%以上 ·月牙尾推进机理现成为仿生推进研究的一个热点， 人们往往将它简化为刚性的拍动翼模型来做实验 和计算 9
月牙推进 • 月牙尾推进是指海洋大型鱼（例如鳖）和海洋哺 乳动物（例如鲸、海豚）具有大展弦比的月牙形 尾鳍, 这些动物主要依靠月牙尾的大幅摆动, 实现 高速和高效推进 – 其巡游速度可高达20节（相当于36km/h） – 流体推进效率可高达80%以上 • 月牙尾推进机理现成为仿生推进研究的一个热点, 人们往往将它简化为刚性的拍动翼模型来做实验 和计算 9
机器鱼的研究 ·麻省理工学院的M.Triantafyllou研究组研制成机器 蓝鳍金枪鱼（长1.24米)和机器白斑狗鱼（长 1.81米)，前者主要模拟月牙尾推进的功能，后 者模拟鱼的加速、转弯功能 ·日本三菱公司造出了人造红鳍鱼，长0.6m,重 2.6kg,鱼皮由硅制成，鱼眼内装有摄像机，充电 后可以0.5m/s的最快速度游动半小时（这种鱼用 于观赏) ·机器鱼的真正用途是军事侦察、海洋考察、寻找 污染源头等 10
机器鱼的研究 • 麻省理工学院的M.Triantafyllou研究组研制成机器 蓝鳍金枪鱼（长1.24米）和机器白斑狗鱼（长 1.81米），前者主要模拟月牙尾推进的功能，后 者模拟鱼的加速、转弯功能 • 日本三菱公司造出了人造红鳍鱼，长0.6m，重 2.6kg，鱼皮由硅制成，鱼眼内装有摄像机，充电 后可以0.5m/s的最快速度游动半小时（这种鱼用 于观赏） • 机器鱼的真正用途是军事侦察、海洋考察、寻找 污染源头等。 10