Kann ein toter Fisch flussaufwärts schwimmen? Entdecken Sie die Geheimnisse des erstaunlichen Wirbelschwimmens

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Jiayin (Institut für Fortgeschrittene Technologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Jeder hat sicher schon einmal Fische im Wasser schwimmen sehen, aber was ist mit toten Fischen? Es mag ein wenig absurd klingen, aber der Ig-Nobelpreis für Physik 2024 wurde für eine Studie über schwimmende tote Fische verliehen.

Wissenschaftler aus den USA erhielten die Auszeichnung für die „Demonstration und Erklärung der Schwimmfähigkeit toter Forellen“. Die Studie berichtet nicht nur von einem überraschenden und magischen Phänomen, sondern enthüllt auch die Geheimnisse der Strömungsdynamik und bietet eine neue Perspektive für unser Verständnis, wie Fische Wirbel im Wasser nutzen, um Energie zu sparen.

Verschiedene Fische haben unterschiedliche Schwimmstile:

Die Art und Weise, wie Fische schwimmen, ist viel komplexer, als wir uns vorstellen. Am häufigsten ist das Schwingschwimmen, bei dem sich der Körper des Fisches S-förmig biegt und so eine Wanderwelle vom Kopf bis zum Schwanz erzeugt, die den Fisch vorwärts treibt. Aber das ist nur die Spitze des Eisbergs.

Einige Fische, wie Schwertfische und Makrelen, schwimmen im Kreuzschwimmstil. Sie haben einen stromlinienförmigen Körper und eine halbmondförmige Schwanzflosse, die es ihnen ermöglicht, über längere Zeit mit hoher Geschwindigkeit zu schwimmen. Im Gegensatz dazu schwimmen Aale schlangenartig, wobei ihr ganzer Körper große wellenartige Bewegungen ausführt, was für die Fortbewegung in komplexen Umgebungen geeignet ist.

Interessanterweise haben einige Fische spezielle Schwimmtechniken entwickelt, die es ihnen ermöglichen, mithilfe ihrer Brustflossen auf dem Meeresboden zu „laufen“, während fliegende Fische aus dem Wasser springen und mithilfe ihrer Brustflossen eine Strecke weit gleiten können. Diese unterschiedlichen Schwimmstile spiegeln die Anpassung der Fische an unterschiedliche ökologische Umgebungen wider.

fliegender Fisch

(Bildquelle: Wikipedia)

Eine himmlische Kombination: Strömungsdynamik und Schwimmstile von Fischen

Um zu verstehen, wie Fische schwimmen, sind die Prinzipien der Strömungsdynamik unverzichtbar. Während sich Fische durch das Wasser bewegen, manipulieren sie tatsächlich ständig die Wasserströmung um sie herum. Fische sind in der Lage, durch die Bewegung ihres Körpers und ihrer Flossen Wirbel zu erzeugen und zu steuern und dadurch Vortrieb zu erlangen.

Interessanterweise sind die Wirbel, die Fische beim Schwimmen erzeugen, nicht zufällig. Studien haben ergeben, dass effizient schwimmende Fische in der Lage sind, organisierte Wirbelsysteme zu bilden. Diese Wirbel sorgen nicht nur für den Vortrieb, sondern verringern auch den Wasserwiderstand, sodass die Fische schneller und mit weniger Kraftaufwand schwimmen können.

Die Energieeffizienz des Fischschwimmens stand schon immer im Fokus der Wissenschaftler. Studien haben ergeben, dass Fische neben der Optimierung ihrer Körperstruktur auch verschiedene Strategien zur Energieeinsparung anwenden. Manche Fische, wie etwa Thunfische, können Tausende von Kilometern zurücklegen, was eine extrem hohe Energieeffizienz erfordert. Viele Fische nutzen das „Gleiten“ auch, um Energie zu sparen. Nachdem sie einige Male geschwungen haben, hören sie kurz auf, sich zu bewegen, und nutzen die Trägheit, um eine Strecke weit zu gleiten. Darüber hinaus ist Gruppenreisen auch eine Energiesparstrategie. Indem der Fisch dahinter dem Wirbel folgt, den der Fisch vor ihm erzeugt, kann er viel Energie sparen.

Achten Sie das nächste Mal, wenn Sie Fische in einem Aquarium oder am Fluss beobachten, auf ihre Schwimmweise. Vielleicht entdecken Sie, dass sich hinter dem scheinbar einfachen Schwung das subtile Geheimnis der Strömungsdynamik verbirgt. Und diese Geheimnisse inspirieren uns dazu, intelligentere und effizientere Technologien für die Zukunft zu entwickeln.

Vortex-Schwimmen: eine einzigartige Art zu schwimmen

Eine Karman-Wirbelstraße ist eine Reihe regelmäßig abwechselnder Wirbel, die sich hinter einem stumpfen Gegenstand, beispielsweise einem Zylinder, bilden, wenn die Flüssigkeit mit einer bestimmten Geschwindigkeit hindurchfließt, und die eine geordnete Struktur ähnlich einer Straße darstellen. Inspiriert wurde das Forscherteam dabei von einem interessanten Phänomen: In Flüssen halten sich Fische gerne hinter Hindernissen auf und hinter den Hindernissen befinden sich häufig Wirbel und sogar Wirbelstraßen. Wissenschaftler fragten sich, ob Fische von den besonderen Wasserströmungen in diesen Wirbelgebieten profitieren könnten. Um dieser Frage nachzugehen, entwarfen sie ein ausgeklügeltes Experiment.

Karman-Wirbel-Straßenanimation

(Bildquelle: Wikipedia)

Im Experiment platzierten die Forscher einen D-förmigen Zylinder in einem Wassertank, um regelmäßige Wirbel zu erzeugen. Als lebende Forellen in diese Umgebung gesetzt wurden, zeigten sie einen einzigartigen Schwimmstil, der als „Kamen-Gang“ bekannt ist. Zu diesem Zeitpunkt schwingt der Fischkörper mit großer Amplitude und niedriger Frequenz und seine Frequenz stimmt überraschenderweise mit der Frequenz der Wirbelbildung überein. Diese Art des Schwimmens scheint es den Fischen zu ermöglichen, ihre Position auch stromaufwärts beizubehalten und dabei Energie zu sparen.

NASA-Bild der durch den Hurrikan verursachten Karman-Wirbelstraße um die Juan-Fernandez-Inseln vor der Küste Chiles

(Bildquelle: Wikipedia)

Doch was wirklich überraschend war: Als die Forscher das Experiment mit toten Forellen durchführten, stellten sie fest, dass sogar tote Fische ähnliche „Schwimmfähigkeiten“ aufweisen konnten!

Regenbogenforelle

(Bildquelle: Wikipedia)

Das Geheimnis der „Auferstehung“ des toten Fisches

Wie also „schwimmen“ tote Fische? Die Antwort liegt in der Strömungsdynamik und der weichen Beschaffenheit von Fischkörpern. Wenn ein toter Fisch in einen Wirbel gelegt wird, wirken Wasserströmungen aus verschiedenen Richtungen auf den Fischkörper und bringen ihn in periodische Schwingungen. Diese passive Schwingung interagiert mit dem Wirbel im Wasserstrom und erzeugt so einen Vorwärtsschub.

Die Forscher stellten fest, dass die toten Fische mit einer Frequenz und Amplitude schwangen, die der von lebenden Fischen sehr ähnlich war. Dies bedeutet, dass Fische beim Schwimmen in Wirbeln weitgehend einen passiven Mechanismus verwenden. Die Weichheit und Form der Fischkörper haben sich über einen langen Zeitraum entwickelt und sind für diesen passiven Antrieb sehr gut geeignet. Kurz gesagt: Diese Forschung offenbart eine geniale Möglichkeit, Energie in der Natur zu nutzen. In turbulentem Wasser kämpfen Fische nicht einfach gegen die Strömung, sondern lernen, „mit der Strömung zu schwimmen“ und die Energie der Wasserströmung zu nutzen, um ihren eigenen Energieverbrauch zu senken.

Es bringt die Leute nicht nur zum Lachen, sondern regt sie auch zum Nachdenken an. Diese Forschung ist nicht nur interessant, sondern hat auch einen potenziellen Anwendungswert.

Das Verständnis, wie Fische Wirbel so effizient nutzen, könnte zu neuen Designs für Unterwasserroboter führen. Diese Roboter könnten in turbulenten Gewässern möglicherweise agiler und energieeffizienter sein. Wenn wir verstehen, wie Fische Wirbel ausnutzen, können wir möglicherweise auch effizientere Schiffe und Tauchboote konstruieren. Beispielsweise könnte beim Entwurf eines Schiffsrumpfs berücksichtigt werden, wie sich die erzeugten Wirbel besser zur Reduzierung des Luftwiderstands nutzen lassen.

Darüber hinaus bietet diese Studie auch eine neue Perspektive für unser Verständnis des ökologischen Verhaltens von Fischen. Der Grund, warum Fische in Flüssen und Ozeanen bestimmte Orte zum Verweilen oder Wandern wählen, könnte mit der Nutzung der Fließeigenschaften des Wassers zusammenhängen. Dies hat wichtige Auswirkungen sowohl auf den Fischschutz als auch auf das Fischereimanagement.

Diese Forschung, die mit dem Ig-Nobelpreis für Physik 2024 ausgezeichnet wurde, mag absurd erscheinen, ist aber tatsächlich sehr inspirierend. Es erinnert uns daran, dass es bei wissenschaftlichen Forschungen überall Überraschungen gibt und sogar ein toter Fisch die Geheimnisse der Natur enthüllen kann. Diese Forschung vertieft nicht nur unser Verständnis der Strömungsdynamik, sondern zeigt auch, wie Organismen sich geschickt an ihre Umwelt anpassen und diese ausnutzen.

Achten Sie das nächste Mal, wenn Sie Fische in einem Aquarium oder am Fluss beobachten, auf ihre Schwimmweise. Vielleicht entdecken Sie, dass sich hinter dem scheinbar einfachen Schwung das subtile Geheimnis der Strömungsdynamik verbirgt. Und diese Geheimnisse inspirieren uns dazu, intelligentere und effizientere Technologien für die Zukunft zu entwickeln.

Quellen:

1. James C. Liao, Neuromuskuläre Kontrolle von Forellen, die in einer Wirbelstraße schwimmen: Auswirkungen auf die Energieökonomie während des Kármán-Gangs

2. David N. Beal et. al., Passiver Antrieb in Wirbelschleppen