| Д. Тейлор. Анализ плавания микроорганизмов . Нелинейная динамика, 2011, т.7, №2, с. 371-387 | ||||||
Аннотация
Крупные объекты, которые самостоятельно движутся в воздухе или воде, пользуются инерцией окружающей газовой или жидкой среды. Двигательный орган толкает жидкость назад, а сопротивление тела придает жидкости импульс, направленный вперед. Импульсы, направленные вперед и назад, в точности уравновешиваются, но орган-движитель и сопротивление можно считать действующими независимо. Такое представление не может быть перенесено на задачи о самостоятельном движении микроскопических тел, для которых вязкие напряжения могут быть во много тысяч раз больше, чем напряжения, создаваемые инерцией. По-видимому, до сих пор не рассматривались случаи самостоятельного движения в вязкой жидкости исключительно благодаря вязком силам.
Здесь описывается движение жидкости вблизи тонкого слоя, вдоль которого распространяются волны бокового смещения. Найдено, что слой движется вперед со скоростью, равной скорости распространения волн, умноженной на 2π2b2/λ2 (здесь b – амплитуда, а λ — длина волны). Этот анализ предлагается в качестве объяснения тому, как хвост-движитель может заставлять тело двигаться сквозь вязкую жидкость без участия инерционной реакции. Рассчитаны также диссипация энергии и напряжение в хвосте.
Исследование обобщено на случай взаимодействия хвостов двух близкорасположенных малых организмов, имеющих хвосты-движители. Найдено, что если волны, бегущие вдоль близкорасположенных хвостов, находятся в фазе друг с другом, то диссипация энергии жидкости между хвостами гораздо меньше, чем если волны противоположны по фазе. Найдено также, что если волна от одного хвоста отстает по фазе от волны, созданной другим хвостом, то имеется сильное взаимодействие благодаря вязким напряжениям в жидкости между ними, которое стремится привести два волновых цуга к синфазности. То, что хвосты двух сперматозоидов колеблются в фазе, если они расположены близко друг к другу и одинаково направлены, наблюдается в действительности.
G. Taylor. Analysis of the swimming of microscopic organisms . Rus. J. Nonlin. Dyn., 2011, V.7, №2, p. 371-387
Abstract
Large objects which propel themselves in air or water make use of inertia in the surrounding fluid. The propulsive organ pushes the fluid backwards, while the resistance of the body gives the fluid a forward momentum. The forward and backward momenta exactly balance, but the propulsive organ and the resistance can be thought about as acting separately. This conception cannot be transferred to problems of propulsion in microscopic bodies for which the stresses due to viscosity may be many thousands of times as great as those due to inertia. No case of self-propulsion in a viscous fluid due to purely viscous forces seems to have been discussed.
The motion of a fluid near a sheet down which waves of lateral displacement are propagated is described. It is found that the sheet moves forwards at a rate 2π2b2/λ2 times the velocity of propagation of the waves. Here b is the amplitude and λ the wave-length. This analysis seems to explain how a propulsive tail can move a body through a viscous fluid without relying on reaction due to inertia. The energy dissipation and stress in the tail are also calculated.
The work is extended to explore the reaction between the tails of two neighbouring small organisms with propulsive tails. It is found that if the waves down neighbouring tails are in phase very much less energy is dissipated in the fluid between them than when the waves are in opposite phase. It is also found that when the phase of the wave in one tail lags behind that in the other there is a strong reaction, due to the viscous stress in the fluid between them, which tends to force the two wave trains into phase. It is in fact observed that the tails of spermatozoa wave in unison when they are close to one another and pointing the same way.
|
