Schwimmen

@article{gray1936studies2,
    author = "Gray, J",
    title = "Studies in animal locomotion VI. The propulsive powers of the dolphin",
    year = "1936",
    journal = "Journal of Experimental Biology, v. 13, p. 192-199",
    note = "talkorigins\_source = {true}; raw\_reference = {Gray, J., 1936, Studies in animal locomotion VI. The propulsive powers of the dolphin: Journal of Experimental Biology, v. 13, p. 192-199.}"
}

Es wurde versucht, die Beziehung der Flossen zum Gleichgewicht des schwimmenden Hundshaies zu bestimmen. Mindestens zwei Faktoren sind an diesem Gleichgewicht beteiligt; passive mechanische Kräfte und Reflexbewegungen der Flossen selbst. Der Anteil der automatischen (passiven) Komponenten wurde geschätzt, indem an einem Modell von Mustelus canis experimentiert wurde, das in einem Windkanal bei einer geeigneten Luftgeschwindigkeit getestet wurde. Das Gleichgewicht in der horizontalen Ebene (Giergleichgewicht – für Drehbewegungen) ist ohne Flossen instabil, vollständig stabil nur in Abwesenheit des ersten Rückenflossens und neutral, wenn alle Flossen vorhanden sind. In der vertikalen Ebene (Nickgleichgewicht – für Auf- und Tauchmanöver) ist das Gleichgewicht ohne Flossen instabil, und diese Instabilität wird durch das Vorhandensein der Brustflossen stark erhöht. Die Afterflossen haben wenig oder keinen Effekt. Stabilität und Steuerbarkeit sind umgekehrt proportional. Der Fisch ist in der horizontalen Ebene vergleichsweise stabil, in der vertikalen Ebene extrem steuerbar. Diese Tatsache steht in engem Zusammenhang mit der Flexibilität des Körpers für seitliche Bewegungen. Die im Windkanal erhaltenen Ergebnisse wurden durch Amputation der Flossen des lebenden Hundshaies bestätigt. Das normale Gleichgewicht des schwimmenden Hundshaies in der vertikalen Ebene wird weitgehend durch die Brustflossen und den heterozerealen Schwanz bestimmt. Die Beziehung dieser Tatsachen zum Problem der Evolution der schwimmenden Chordaten wird betrachtet.

@article{harris1936the,
    author = "Harris, J. E.",
    title = "The Role of the Fins in the Equilibrium of the Swimming Fish",
    year = "1936",
    journal = "Journal of Experimental Biology",
    abstract = "An attempt was made to determine the relationship of the fins to the equilibrium of the swimming dogfish. Two factors at least are involved in this equilibrium; passive mechanical forces and reflex motions of the fins themselves. The part played by the automatic (passive) components was estimated by experimenting on a model of Mustelus canis mounted in a wind tunnel tested at a suitable air speed. The equilibrium in the horizontal plane (yawing equilibrium--for turning movements) is unstable without fins, completely stable only in the absence of the first dorsal fin, and is neutral when all fins are present. In the vertical plane (pitching equilibrium--for rising and diving turns) the equilibrium is unstable without fins, and this instability is greatly increased by the presence of the pectorals. The pelvics have little or no effect. Stability and controllability are inversely related. The fish is comparatively stable in the horizontal plane, extremely controllable in the vertical plane. This fact is closely related to the flexibility of the body for lateral movements. The results obtained in the wind tunnel were confirmed by amputation of the fins of the living dogfish. The normal equilibrium of the swimming dogfish in the vertical plane is determined largely by the pectoral fins and the heterocercal tail. The relationship of these facts to the problem of the evolution of the swimming chordates is considered.",
    url = "https://doi.org/10.1242/jeb.13.4.476",
    doi = "10.1242/jeb.13.4.476",
    number = "4",
    pages = "476-493",
    volume = "13"
}

@article{harris1936the4,
    author = "Harris, J. E",
    title = "Die Rolle von Flossen im Gleichgewicht des schwimmenden Fisches I. Windkanaltests an einem Modell von Mustelus canis (Mitchill)",
    year = "1936",
    journal = "Journal of Experimental Biology, v. 13, S. 476-493",
    note = "talkorigins\_source = {true}; raw\_reference = {Harris, J. E., 1936, Die Rolle von Flossen im Gleichgewicht des schwimmenden Fisches I. Windkanaltests an einem Modell von Mustelus canis (Mitchill): Journal of Experimental Biology, v. 13, S. 476-493.}"
}

@article{s2311f2e98bb586470bb98f22751607918b3c08ffd,
    author = "Harris, J.",
    title = "The Role of the Fins in the Equilibrium of the Swimming Fish: I. Wind-Tunnel Tests on a Model of Mustelus canis (Mitchill)",
    year = "1936",
    journal = "The Journal of Experimental Biology",
    url = "https://www.semanticscholar.org/paper/311f2e98bb586470bb98f22751607918b3c08ffd",
    is_oa = "true",
    semanticscholar_citation_count = "149",
    semanticscholar_id = "311f2e98bb586470bb98f22751607918b3c08ffd"
}

Die gepaarten Fische sind hauptsächlich mit der Erzeugung vertikaler Kräfte befasst und beeinflussen somit vor allem das Tauchgleichgewicht (Auf- und Abtauchen). Bei Haifischen erhöhen die Afterflossen in geringem Maße die statische Stabilität für Tauchbewegungen. Dennoch überwiegt die relativ große Fläche und die vordere Position der Brustflossen den Einfluss der Afterflossen auf die Tauchstabilität, sodass der Beitrag der Letzteren sehr gering ist. Dies wird durch Amputationsversuche bestätigt. Bei Knochenfischen führt die Entwicklung der Actinopterygier-Flosse zu einer viel größeren Beweglichkeit der Flossen. Infolgedessen zeigen die Afterflossen der Knochenfische eine beträchtliche adaptive Radiation. Bei Perciden erzeugt die Verwendung der Brustflossen als Bremsen einen Auftrieb sowie eine Widerstandskraft. Es wird gezeigt, dass die Neutralisierung dieser Auftriebskraft durch eine nach unten gerichtete Kraft, die von den Afterflossen erzeugt wird, eine vordere Migration der Letzteren erfordert. Wenn diese Migration nicht stattfände, würde der Fisch entweder nach oben kippen oder während des Stopps körperlich aufsteigen. Die dynamische Grundlage für diese Migration der gepaarten Flossen wird in einer näherungsweisen mathematischen Behandlung des Gleichgewichts während des Stopps betrachtet. Diese Hypothese wird durch Amputationsversuche bestätigt und auch durch das Vorkommen einer konvergenten Flossenmigration in den Coelacanthidae. Das Fehlen der vorderen Afterflossenmigration bei Gleitfischen bietet ebenfalls indirekte Unterstützung. Es gibt keine Hinweise darauf, dass die Afterflossen als Bilgekiel funktionieren können, obwohl sie aktiv verwendet werden können, um ein Rollmoment zu erzeugen.

@article{harris1938the,
    author = "Harris, J. E.",
    title = "The Role Of The Fins In The Equilibrium Of The Swimming Fish",
    year = "1938",
    journal = "Journal of Experimental Biology",
    abstract = "The paired fins of fishes are largely concerned with the production of vertical forces, and thus principally affect the pitching (rising and diving) equilibrium. In the sharks the pelvic fins increase to a small extent the static stability for pitching movements. Nevertheless, the relatively large area and forward position of the pectoral fins preponderates over the influence of the pelvics on the pitching stability, so that the contribution of the latter is very small. This is borne out by amputation experiments. In the bony fishes, the development of the actinopterygian fin leads to a much greater mobility of the fins. In consequence, the pelvic fins of the bony fishes exhibit a considerable adaptive radiation. In the percoid fishes the use of the pectoral fins as brakes produces a lift as well as a drag force. It is shown that the neutralization of this lift force by a downward force produced by the pelvic fins necessitates the forward migration of the latter. If this migration did not take place, the fish would either tilt upwards or rise bodily during the stop. The dynamical basis for this migration of the paired fins is considered in an approximate mathematical treatment of the equilibrium during the stop. This hypothesis is confirmed by amputation experiments, and also by the occurrence of a convergent fin migration in the Coelacanthidae. The absence of the forward pelvic fin migration in flying fishes also affords indirect support. There is no evidence to suggest that the pelvic fins can function as bilge keels, though they may be used actively to produce a rolling moment.",
    url = "https://doi.org/10.1242/jeb.15.1.32",
    doi = "10.1242/jeb.15.1.32",
    number = "1",
    pages = "32-47",
    volume = "15"
}

@article{harris1938the5,
    author = "Harris, J. E",
    title = "The role of fins in the equilibrium of the swimming fish II. The role of the pelvic fins",
    year = "1938",
    journal = "Journal of Experimental Biology, v. 13, p. 476-493",
    note = "talkorigins\_source = {true}; raw\_reference = {Harris, J. E., 1938, The role of fins in the equilibrium of the swimming fish II. The role of the pelvic fins: Journal of Experimental Biology, v. 13, p. 476-493.}"
}

@article{s28be9471ec5b36520a9bf7875592746d5b20a2dff,
    author = "Harris, J.",
    title = "The Role Of The Fins In The Equilibrium Of The Swimming Fish: II. The Role Of The Pelvic Fins",
    year = "1938",
    journal = "The Journal of Experimental Biology",
    url = "https://www.semanticscholar.org/paper/8be9471ec5b36520a9bf7875592746d5b20a2dff",
    is_oa = "true",
    semanticscholar_citation_count = "107",
    semanticscholar_id = "8be9471ec5b36520a9bf7875592746d5b20a2dff"
}

@misc{gray1957how3,
    author = "Gray, J",
    title = "Wie Fische schwimmen",
    year = "1957",
    howpublished = "Scientific American, v. 197, p. 48-54",
    note = "talkorigins\_source = {true}; raw\_reference = {Gray, J., 1957, Wie Fische schwimmen: Scientific American, v. 197, p. 48-54.}"
}

@article{doi1023071440000,
    author = "Robins, C. R.",
    title = "Studies on Fishes of the Family Ophidiidae: VI. Two New Genera and a New Species from American Waters",
    year = "1961",
    journal = "Copeia",
    url = "https://www.semanticscholar.org/paper/e01d1351f6ea7272b7d9b8fb29bbf83b68de9615",
    doi = "10.2307/1440000",
    is_oa = "true",
    number = "2",
    pages = "212",
    semanticscholar_citation_count = "5",
    semanticscholar_id = "e01d1351f6ea7272b7d9b8fb29bbf83b68de9615",
    volume = "1961"
}

Diese Arbeit versucht, den Schwimmstrom um einen typischen schlanken Fisch zu bewerten, dessen Querschnitt hinter dem Abschnitt mit dem größten Spannweiten eine linsenförmige Gestalt mit spitzen Kanten aufweist, wie sie bei stacheligen Flossen der Fall ist, sodass diese Seitenkanten scharfe Hinterkanten sind, von denen sich ein oszillierendes Wirbelschicht ablöst, die den Körper beim Schwimmen nachzieht. Das zusätzliche Merkmal der Ablösung der Wirbelschicht macht dieses Problem zu einer mäßigen Verallgemeinerung der Arbeit über das Schwimmen schlanker Fische, die von Lighthill (1960 a) behandelt wurde. Es wird hier festgestellt, dass der Fortbewegungsschub nicht nur von der virtuellen Masse des Heckabschnitts abhängt, sondern auch von einem integralen Effekt der Variationen der virtuellen Masse entlang des gesamten Körperteils, das die hinteren Seitenkanten enthält, und dass dieser letztere Effekt den Schub erheblich verstärken kann. Das hier betrachtete optimale Gestaltungsproblem besteht darin, die transversalen oszillierenden Bewegungen zu bestimmen, die ein schlanker Fisch ausführen kann, um einen vorgeschriebenen Schub zu erzeugen, um den Reibungswiderstand zu überwinden, auf Kosten der minimalen Arbeit, die zur Aufrechterhaltung der Bewegung aufgewendet wird. Die Lösung besteht darin, dass der Fisch eine Welle entlang seines Körpers mit einer Phasengeschwindigkeit c sendet, die etwas größer als die gewünschte Schwimmgeschwindigkeit U ist, mit einer Amplitude, die vom Abschnitt mit dem größten Spannweiten bis zum Schwanz nahezu gleichmäßig ist. Sowohl das Verhältnis U/c als auch der optimale Wirkungsgrad hängen von zwei Parametern ab: der reduzierten Wellenfrequenz und einem „proportionalen Lastungsparameter", wobei letzterer proportional zum Schubkoeffizienten und zum inversen Quadrat der Wellenamplitude ist. Der grundlegende Mechanismus des Schwimmens wird im Lichte des Prinzips von Aktion und Reaktion untersucht, indem der Wirbelablauf, der durch die optimale Bewegung erzeugt wird, studiert wird.

@article{wu1971hydromechanics,
    author = "Wu, T. Yao-Tsu",
    title = "Hydromechanik der Schwimmfortbewegung. Teil 3. Schwimmen und optimale Bewegungen schlanker Fische mit Seitenflossen",
    year = "1971",
    journal = "Journal of Fluid Mechanics",
    abstract = "Diese Arbeit versucht, den Schwimmstrom um einen typischen schlanken Fisch zu bewerten, dessen Querschnitt hinter dem Abschnitt mit dem größten Spannweiten eine linsenförmige Gestalt mit spitzen Kanten aufweist, wie sie bei stacheligen Fällen der Fall ist, sodass diese Seitenkanten scharfe Hinterkanten sind, von denen sich ein oszillierendes Wirbelschicht ablöst, die den Körper beim Schwimmen nachzieht. Das zusätzliche Merkmal der Ablösung der Wirbelschicht macht dieses Problem zu einer mäßigen Verallgemeinerung der Arbeit über das Schwimmen schlanker Fische, die von Lighthill (1960 a) behandelt wurde. Es wird hier festgestellt, dass der Fortbewegungsschub nicht nur von der virtuellen Masse des Heckabschnitts abhängt, sondern auch von einem integralen Effekt der Variationen der virtuellen Masse entlang des gesamten Körperteils, das die hinteren Seitenkanten enthält, und dass dieser letztere Effekt den Schub erheblich verstärken kann. Das hier betrachtete optimale Gestaltungsproblem besteht darin, die transversalen oszillierenden Bewegungen zu bestimmen, die ein schlanker Fisch ausführen kann, um einen vorgeschriebenen Schub zu erzeugen, um den Reibungswiderstand zu überwinden, auf Kosten der minimalen Arbeit, die zur Aufrechterhaltung der Bewegung aufgewendet wird. Die Lösung besteht darin, dass der Fisch eine Welle entlang seines Körpers mit einer Phasengeschwindigkeit c sendet, die etwas größer als die gewünschte Schwimmgeschwindigkeit U ist, mit einer Amplitude, die vom Abschnitt mit dem größten Spannweiten bis zum Schwanz nahezu gleichmäßig ist. Sowohl das Verhältnis U/c als auch der optimale Wirkungsgrad hängen von zwei Parametern ab: der reduzierten Wellenfrequenz und einem „proportionalen Lastungsparameter", wobei letzterer proportional zum Schubkoeffizienten und zum inversen Quadrat der Wellenamplitude ist. Der grundlegende Mechanismus des Schwimmens wird im Lichte des Prinzips von Aktion und Reaktion untersucht, indem der Wirbelablauf, der durch die optimale Bewegung erzeugt wird, studiert wird.",
    url = "https://doi.org/10.1017/s0022112071000697",
    doi = "10.1017/s0022112071000697",
    number = "3",
    pages = "545-568",
    volume = "46"
}

@article{blight1977the1,
    author = "Blight, A. R",
    title = "The muscular control of vertebrate swimming motions",
    year = "1977",
    journal = "Biological Reviews, v. 52, p. 181-218",
    note = "talkorigins\_source = {true}; raw\_reference = {Blight, A. R., 1977, The muscular control of vertebrate swimming motions: Biological Reviews, v. 52, p. 181-218.}"
}

@book{videler1993fish,
    author = "Videler, John J.",
    title = "Fish Swimming",
    year = "1993",
    url = "https://doi.org/10.1007/978-94-011-1580-3",
    doi = "10.1007/978-94-011-1580-3"
}

@article{doi101017cbo9780511983641004,
    author = "Hoar, J. und Sim, E. und Webber, D. und O'dor, R.",
    title = "Mechanics and Physiology of Animal Swimming: The role of fins in the competition between squid and fish",
    year = "1994",
    booktitle = "The Mechanics and Physiology of Animal Swimming",
    url = "https://www.semanticscholar.org/paper/11dae0bc1f792f63534e765b3242e7f288aaec08",
    doi = "10.1017/CBO9780511983641.004",
    is_oa = "true",
    pages = "27-44",
    semanticscholar_citation_count = "63",
    semanticscholar_id = "11dae0bc1f792f63534e765b3242e7f288aaec08"
}

@incollection{christopher2010the,
    author = "Christopher, J. Fulton",
    title = "The Role of Swimming in Reef Fish Ecology",
    year = "2010",
    booktitle = "Fish Locomotion",
    url = "https://doi.org/10.1201/b10190-12",
    doi = "10.1201/b10190-12",
    pages = "374-406"
}

@article{wang2012multimodal,
    author = "Wang, Ming und Yu, JunZhi und Tan, Min und Zhang, JianWei",
    title = "Multimodale Schwimmsteuerung eines roboterfischen mit Brustflossen unter Verwendung eines CPG-Netzwerks",
    year = "2012",
    journal = "Chinese Science Bulletin",
    url = "https://doi.org/10.1007/s11434-012-5005-6",
    doi = "10.1007/s11434-012-5005-6",
    number = "10",
    pages = "1209-1216",
    volume = "57"
}

@article{xu2012numerical,
    author = "Xu, Yi-gang und Wan, De-cheng",
    title = "Numerische Simulation des Fischschwimmens mit starren Brustflossen",
    year = "2012",
    journal = "Journal of Hydrodynamics",
    url = "https://doi.org/10.1016/s1001-6058(11)60243-6",
    doi = "10.1016/s1001-6058(11)60243-6",
    number = "2",
    pages = "263-272",
    volume = "24"
}

In Bezug auf Bulk-Schwimmungsparameter wie Geschwindigkeit, Effizienz, Manövrierfähigkeit und Tarnung überlegen sich Fische bei weitem menschlich hergestellten Unterwasserfahrzeugen. Angetrieben durch diese Leistungsgefälle verwendet diese Dissertation sowohl idealisierte Modelle von Propellern als auch reduzierte dreidimensionale robotische Plattformen, um die wesentliche Physik und Designmerkmale von Hochleistungsschwimmen zu extrahieren. Ein einzigartiges drahtloses experimentelles System wurde am Anfang als Grundlage dieser Dissertation entwickelt. Dieses experimentelle System hat die Fähigkeit, automatische direkte Kraftmessungen und dynamische Positionsverfolgung durchzuführen, was eine Brücke zwischen traditionellen verkabelten Tests und autonomen Plattformen schafft. Das modulare Design ermöglicht es uns, das experimentelle System mit verschiedenen Hardware-Erweiterungen und Software für verschiedene Studien zu konfigurieren. Zusammen mit dem neu entwickelten dreidimensionalen Partikelbildvelocimetry-System (3D PIV) ist dieses experimentelle System in der Lage, hydrodynamische Merkmale mit Leistungsmessungen zu koppeln und bietet somit ein leistungsfähiges Werkzeug für Studien in dieser Dissertation. Wenn Fische/Roboter nahe am Substrat oder nahe beieinander schwimmen, erzeugen sie unstationäre Wechselwirkungen mit der Grenze. Sowohl die dynamische Positionsverfolgung als auch die direkten Kraftmessungen zeigen, dass der unstationäre stationäre Bodeneffekt zu einer asymmetrischen Auftriebsgenerierung und einem Schubimpuls ohne Effizienzverlust führt. Zum ersten Mal haben wir die Existenz von Gleichgewichtsheights bewiesen. Wenn nahe am Boden, ist der zeitlich gemittelte Auftrieb bei bestimmten Höhen null und wirkt so, dass das Profil zu diesen Gleichgewichten zurückkehrt. Wenn sich das Profil sehr nahe am Boden bewegt (d/c≤0,35), existiert eine weitere instabile Gleichgewichtshöhe, die das Profil vom oder zum Boden drückt. In allen Fällen bewegen sich die stabilen Gleichgewichtshöhen mit zunehmender Strouhal-Zahl oder mit abnehmender reduzierter Frequenz höher, aber die instabilen Gleichgewichtshöhen sind weniger empfindlich. Eine Erhöhung des Seitenverhältnisses führt zu stärkeren unstationären Effekten, einschließlich eines stärkeren Schubimpulses, einer größeren asymmetrischen Kraft und einer höheren stabilen Gleichgewichtshöhe. Die inviscide Natur dieser Phänomene deutet darauf hin, dass ähnliche Effekte bestehen könnten, wenn man nahe einem anderen gegenphasigen Schwimmer schwimmt. Neben hoch-effizientem stationärem Schwimmen sind Fische im Vergleich zu menschlich hergestellten Unterwasserfahrzeugen hoch manövrierfähig. Manöver sind inhärent transient, so dass sie oft über Beobachtungen von Fischen und fischähnlichen Robotern untersucht werden, wo ihre Dynamik nicht direkt aufgezeichnet werden kann. Im Fall der fischinspirierten Manöverstudie präsentieren wir eine Reihe von Experimenten, bei denen ein halbautonomes Hydrofoil wiederholbare in-Plane-Manöver in einem Wassertunnel durchführt. Wir zeigen, dass die Modulation der Frequenz, Amplitude, Pitch-Voreinstellung und Schlaggeschwindigkeitsverhältnis des Hydrofoils Strömungs- und seitliche Manöver mit gemischter Wirksamkeit erzeugt. Unsere Ergebnisse bieten einen Rahmen für die Betrachtung von in-Plane-Manövern und Strömungs-/seitlichen Trajektorienkorrekturen bei Fischen und fischinspirierten Robotern. Die meisten Fische sind mit mehreren Flossen ausgestattet, die zur Manipulation unstationärer dreidimensionaler Wechselwirkungen verwendet werden können. Im Fall von Mehrflossen-Wechselwirkungen während des Fischschwimmens hat unsere Studie die Bedeutung der Rückenflossenform für die Verbesserung der Schwimmleistung und ihre Rolle bei Mehrflossen-Wechselwirkungen enthüllt. Insbesondere haben wir ein fischinspiriertes Modell mit variabler Flossenschärfe verwendet, um die Wechselwirkung zwischen verlängerten Rückenflossen/Afterflossen und Schwanzflossen zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass die Leistungssteigerung stärker ist als zuvor gedacht (15% Zunahme der Schwimmgeschwindigkeit und 50% Zunahme der Schwimmökonomie) und wird von einem dreidimensionalen Rückflossen-induzierten Querstrom bestimmt, der den Anstellwinkel an der Schwanzflock senkt und den spanweisen Fluss fördert. Sowohl Simulationen als auch mehrschichtige Partikelbildvelocimetry zeigen, dass der Querstrom den Vorderkantenwirbel an der Schwanzflock stabilisiert, ähnlich wie Flügelstrakes den Stall während Manövern von Starrflügelflugzeugen verhindern. Im Gegensatz zu anderen Flossen-Flossen-Wechselwirkungen ist dieser Mechanismus phasenunempfindlich und bietet eine einfache, passive Lösung für die Strömungskontrolle über oszillierende Propeller. Da flexible Elemente weit verbreitet in Fischen vorhanden sind, ist es vernünftig zu erwarten, dass Flexibilität relevant sein könnte für ihre hohe Schwimmleistung über einen weiten Bereich von Geschwindigkeiten. Im Fall von Schwanzflexibilität enthüllen wir eines der Geheimnisse der hohen Fisch-Effizienz: einstellbare Flexibilität. Angetrieben von Fischen, die Muskeln verwenden, um ihre Steifigkeit zu modulieren, haben wir ein Modell abgeleitet, das erklärt, wie und warum das Einstellen der Steifigkeit die Leistung beeinflusst. Wir zeigen, dass um die Effizienz zu maximieren, die Muskelspannung mit dem Quadrat der Schwimmgeschwindigkeit skalieren sollte, was eine einfache Einstellstrategie für Fische und fischähnliche Robotern bietet. Das Einstellen der Steifigkeit kann die Schwimmverdoppelung bei thunfischähnlichen Frequenzen und Geschwindigkeiten verdoppeln (0-6 Hz; 0-2 Körperlängen/sec). Energieeinsparungen nehmen mit der Frequenz zu, was darauf hindeutet, dass hochfrequente Fische und Robotern am meisten vom Einstellen der Steifigkeit profitieren können.

@misc{zhong2021fluidstructure,
    author = "Zhong, Qiang",
    title = "Fluid-Structure Interactions and Active Control in High-Performance Thunniform Swimming",
    year = "2021",
    publisher = "University of Virginia",
    abstract = "In terms of bulk swimming metrics such as speed, efficiency, maneuverability, and stealth, fishes vastly outperform human-made underwater vehicles. Motivated by this performance gap, this thesis uses both idealized models of propulsors and reduced-order three-dimensional robotic platforms to distill the essential physics and design features of high-performance swimming. A unique wireless experimental system was developed at the beginning as the foundation of this thesis. This experimental system has the ability to perform automatic direct force measurements and dynamic position tracking, which creates a bridge between traditional tethered tests and autonomous platforms. The modularized design allows us to configure the experimental system with different hardware add-ons and software for various studies. Together with the newly developed Three-Dimensional Particle Image Velocimetry (3D PIV) system, this experimental system is able to couple hydrodynamic features with performance measurements, thereby offering a powerful tool for studies in this thesis. When fishes/robots swim near the substrate or near each other, they introduce unsteady interactions with the boundary. Both dynamic position tracking and direct force measurements reveal that unsteady steady ground effect leads to asymmetric lift generation and a boost in thrust without efficiency loss. For the first time, we proved the existence of equilibrium altitudes. When close to the ground, the time-averaged lift is zero at certain altitudes and acts to return the foil to these equilibria. When the foil moves very close to the ground (d/c≤0.35), there exists another unstable equilibrium altitude that pushes the foil away from or towards the ground. In all cases, the stable equilibrium altitudes move higher with increasing Strouhal number or with decreasing reduced frequency, but the unstable equilibrium altitudes are less sensitive. Increasing aspect ratio leads to stronger unsteady effects, including a stronger thrust boost, a larger asymmetric force, and a higher stable equilibrium altitude. The inviscid nature of these phenomena indicates that similar effects might exist when swimming near another out-of-phase swimmer. Besides high-efficiency steady swimming, fishes are highly maneuverable compared to man-made underwater vehicles. Maneuvers are inherently transient, so they are often studied via observations of fish and fish-like robots, where their dynamics cannot be recorded directly. In the case of the fish-inspired maneuver study, we present a set of experiments in which a semi-autonomous hydrofoil performs repeatable in-plane maneuvers in a water tunnel. We show that modulating the hydrofoil's frequency, amplitude, pitch bias, and stroke speed ratio produce streamwise and lateral maneuvers with mixed effectiveness. Our findings provide a framework for considering in-plane maneuvers and streamwise/lateral trajectory corrections in fish and fish-inspired robots. Most fishes are equipped with multiple fins that can be used for manipulating unsteady three-dimensional interactions. In the case of multi-fin interactions during fish swimming, our study revealed the importance of dorsal fin shape on swimming performance enhancement and its role in multi-fin interactions. In particular, we used a tuna-inspired fish model with variable fin sharpness to study the interaction between elongated dorsal/analfins and caudal fins. We found that the performance enhancement is stronger than previously thought (15%increase in swimming speed and50%increase in swimming economy)and is governed by a three-dimensional dorsal-fin-induced cross-flow that lowers the angle of attack on the caudal fin and promotes spanwise flow. Both simulations and multi-layer particle image velocimetry reveal that the cross-flow stabilizes the leading-edge vortex on the caudal fin, similar to how wing strakes prevent stall during fixed-wing aircraft maneuvers. Unlike other fin–fin interactions, this mechanism is phase-insensitive and offers a simple, passive solution for flow control over oscillating propulsors. Since flexible elements are widely present in fishes, it is reasonable to expect that flexibility might be relevant to their high swimming performance over a wide range of speeds. In the case of tail flexibility, we reveal one of the secrets of high fish efficiencies: tunable flexibility. Motivated by fish, who use muscles to modulate their stiffness, we derived a model that explains how and why tuning stiffness affects performance. We show that to maximize efficiency, muscle tension should scale with swimming speed squared, offering a simple tuning strategy for fish and fish-like robots. Tuning stiffness can double swimming efficiency at tuna-like frequencies and speeds (0-6 Hz; 0-2 body lengths/sec). Energy savings increase with frequency, suggesting that high-frequency fish and robots have the most to gain from tuning stiffness.",
    url = "https://libraetd.lib.virginia.edu/public\_view/z890rv07b",
    doi = "10.18130/sdt3-y768"
}

Mittels numerischer Strömungssimulationen (CFD) eines Modellkörpers einer Mantaray wird die hydrodynamische Rolle mantarähnlicher bioinspirierter Schlagbewegungen untersucht. Die Bewegung des Mantaray-Modells wird aus synchronisierten hochauflösenden Videos des Schwimmens einer Mantaray rekonstruiert. Die Rotationswinkel der Gelenke des Modellskeletts werden verändert, um das Aufklappen und Biegen zu skalieren, wodurch acht Modelle mit unterschiedlichen Verhältnissen von Aufklappen und Biegen der Brustflossen entstehen. Die Simulationen werden mit einem numerischen Solver durchgeführt, der auf einer intern entwickelten Immersed-Boundary-Methodik basiert. Das Verhältnis des Aufklappens der Brustflossen (PR) zeigt sich als von erheblicher Bedeutung für Schub und Effizienz des Mantaray-Modells. Dies liegt an einer optimaleren Wirbelbildung und -ablösung, die durch das niedrigere Aufklappenverhältnis verursacht wird. An der Unterseite der Flosse gebildete Vorderkantenwirbel (LEVs), ein Merkmal der Fälle mit höherem PR, erzeugen einen parasitären Unterdruck, der die Schubkraft behindert. Die Verringerung des PR reduziert den Einfluss dieses Wirbels, während ein weiterer LEV, der sich auf der Oberseite der Flosse bildet, diese verstärkt. Ein mäßig hohes Biegeverhältnis (BR) kann den Energieverbrauch leicht reduzieren. Schließlich können durch die Kombination eines mäßig hohen BR = 0,83 mit PR = 0,67 weitere Leistungsverbesserungen erzielt werden. Dieses verbesserte Verständnis der mantarinspirierten Fortbewegungsmechanik schließt eine Lücke in unserem Verständnis der mantarähnlichen mobuliformen Fortbewegung. Dies motiviert eine neue Generation mantarinspirierter Roboter, die die hohe Geschwindigkeit und Effizienz ihres biologischen Gegenstücks nachahmen können.

@article{doi103390biomimetics7020045,
    author = "Menzer, Alec und Gong, Yuchen und Fish, F. und Dong, Haibo",
    title = "Bio-inspirierte Fortbewegung: Zum Verständnis der Rolle der Kinetik der Brustflossen bei mantarähnlichem Schwimmen",
    year = "2022",
    journal = "Biomimetics",
    abstract = "Mittels numerischer Strömungssimulationen (CFD) eines Modellkörpers einer Mantaray wird die hydrodynamische Rolle mantarähnlicher bioinspirierter Schlagbewegungen untersucht. Die Bewegung des Mantaray-Modells wird aus synchronisierten hochauflösenden Videos des Schwimmens einer Mantaray rekonstruiert. Die Rotationswinkel der Gelenke des Modellskeletts werden verändert, um das Aufklappen und Biegen zu skalieren, wodurch acht Modelle mit unterschiedlichen Verhältnissen von Aufklappen und Biegen der Brustflossen entstehen. Die Simulationen werden mit einem numerischen Solver durchgeführt, der auf einer intern entwickelten Immersed-Boundary-Methodik basiert. Das Verhältnis des Aufklappens der Brustflossen (PR) zeigt sich als von erheblicher Bedeutung für Schub und Effizienz des Mantaray-Modells. Dies liegt an einer optimaleren Wirbelbildung und -ablösung, die durch das niedrigere Aufklappenverhältnis verursacht wird. An der Unterseite der Flosse gebildete Vorderkantenwirbel (LEVs), ein Merkmal der Fälle mit höherem PR, erzeugen einen parasitären Unterdruck, der die Schubkraft behindert. Die Verringerung des PR reduziert den Einfluss dieses Wirbels, während ein weiterer LEV, der sich auf der Oberseite der Flosse bildet, diese verstärkt. Ein mäßig hohes Biegeverhältnis (BR) kann den Energieverbrauch leicht reduzieren. Schließlich können durch die Kombination eines mäßig hohen BR = 0,83 mit PR = 0,67 weitere Leistungsverbesserungen erzielt werden. Dieses verbesserte Verständnis der mantarinspirierten Fortbewegungsmechanik schließt eine Lücke in unserem Verständnis der mantarähnlichen mobuliformen Fortbewegung. Dies motiviert eine neue Generation mantarinspirierter Roboter, die die hohe Geschwindigkeit und Effizienz ihres biologischen Gegenstücks nachahmen können.",
    url = "https://www.mdpi.com/2313-7673/7/2/45/pdf?version=1650248244",
    doi = "10.3390/biomimetics7020045",
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    number = "2",
    pages = "45",
    semanticscholar_citation_count = "49",
    semanticscholar_id = "437e8995de228bc4d195febb8d9300882e8f00c7",
    volume = "7"
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Zusammenfassung Inspiriert durch die intermittierende Fortbewegung von Fischschwärmen werden numerische Simulationen mit zwei selbstangetriebenen flexiblen Flossen in einer nebeneinander angeordneten Konfiguration mit gegenphasiger Oszillation, die durch seitlich eingeschränkte Hubbewegungen angesteuert wird, durchgeführt. Für einen intermittierenden Schwimmstil werden eine Art des Halbschwanzschlagmodus (HT-Modus) und zwei Arten von Mehrfachschwanzschlagmodi angewendet, die mit der kleinsten (MTS-Modus) und größten (MTL-Modus) seitlichen Lückenabständen gleiten. Ähnlich wie beim kontinuierlichen Schwanzschlagmodus (CT-Modus) existieren Gleichgewichtsseitliche Lückenabstände zwischen zwei Flossen mit HT- und MTL-Modus, wohingegen zwei Flossen mit MTS-Modus keinen seitlichen Gleichgewichtszustand aufrechterhalten. Obwohl die zyklusgemittelte seitliche Kraft, die auf zwei Flossen mit CT- und MTL-Modus wirkt, hauptsächlich durch einen nach außen abgelenkten Jet und eine verstärkte positive Druckverteilung zwischen den beiden Flossen bestimmt wird, spielt eine Zusatzmassen-Seitenkraft, die mit einer asymmetrischen Schlagkinematik durch passive Flexibilität zusammenhängt, auch in MTL-Modus eine wichtige Rolle, um einen stabilen Zustand mit einem seitlichen Lückenabstand zu erreichen, der kleiner ist als der im CT-Modus. Wenn die Fahrtgeschwindigkeit oder die zyklusgemittelte Eingangsleistung in einem stabilen Zustand identisch sind, ist die Transportkosten (COT) für zwei Flossen mit MTL-Modus kleiner als die mit CT-Modus, nicht nur aufgrund eines Vorteils aus dem intermittierenden Schwimmstil, sondern auch aufgrund eines verstärkten Schwarmvorteils mit einem kleinen Gleichgewichtsseitlichen Lückenabstand. Die COT für zwei Flossen mit CT-Modus wird weiter reduziert, wenn die Biegesteifigkeit zunimmt, wohingegen es bei MTL-Modus das Gegenteil ist.

@article{doi101017jfm2023203,
    author = "Jeong, Young Dal und Kim, M. und Lee, Jae Hwa",
    title = "Intermittente Schwimmbewegung zweier selbstangetriebener flexibler Flossen mit seitlich eingeschränkten Hubbewegungen in einer nebeneinander angeordneten Konfiguration",
    year = "2023",
    journal = "Journal of Fluid Mechanics",
    abstract = "Zusammenfassung Inspiriert durch die intermittierende Fortbewegung von Fischschwärmen werden numerische Simulationen mit zwei selbstangetriebenen flexiblen Flossen in einer nebeneinander angeordneten Konfiguration mit gegenphasiger Oszillation, die durch seitlich eingeschränkte Hubbewegungen angesteuert wird, durchgeführt. Für einen intermittierenden Schwimmstil werden eine Art des Halbschwanzschlagmodus (HT-Modus) und zwei Arten von Mehrfachschwanzschlagmodi angewendet, die mit der kleinsten (MTS-Modus) und größten (MTL-Modus) seitlichen Lückenabständen gleiten. Ähnlich wie beim kontinuierlichen Schwanzschlagmodus (CT-Modus) existieren Gleichgewichtsseitliche Lückenabstände zwischen zwei Flossen mit HT- und MTL-Modus, wohingegen zwei Flossen mit MTS-Modus keinen seitlichen Gleichgewichtszustand aufrechterhalten. Obwohl die zyklusgemittelte seitliche Kraft, die auf zwei Flossen mit CT- und MTL-Modus wirkt, hauptsächlich durch einen nach außen abgelenkten Jet und eine verstärkte positive Druckverteilung zwischen den beiden Flossen bestimmt wird, spielt eine Zusatzmassen-Seitenkraft, die mit einer asymmetrischen Schlagkinematik durch passive Flexibilität zusammenhängt, auch in MTL-Modus eine wichtige Rolle, um einen stabilen Zustand mit einem seitlichen Lückenabstand zu erreichen, der kleiner ist als der im CT-Modus. Wenn die Fahrtgeschwindigkeit oder die zyklusgemittelte Eingangsleistung in einem stabilen Zustand identisch sind, ist die Transportkosten (COT) für zwei Flossen mit MTL-Modus kleiner als die mit CT-Modus, nicht nur aufgrund eines Vorteils aus dem intermittierenden Schwimmstil, sondern auch aufgrund eines verstärkten Schwarmvorteils mit einem kleinen Gleichgewichtsseitlichen Lückenabstand. Die COT für zwei Flossen mit CT-Modus wird weiter reduziert, wenn die Biegesteifigkeit zunimmt, wohingegen es bei MTL-Modus das Gegenteil ist.",
    url = "https://www.semanticscholar.org/paper/804e6e456197ce80dabe4bc12dea177917b86671",
    doi = "10.1017/jfm.2023.203",
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    semanticscholar_citation_count = "11",
    semanticscholar_id = "804e6e456197ce80dabe4bc12dea177917b86671",
    volume = "960"
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@article{li2023the,
    author = "Li, Yuhan und Song, Jialei und Zhong, Yong und Yin, Bo",
    title = "Die Rolle der medianen Fische bei der Hydrodynamik und Muskelansteuerung beim carangiformen Schwimmen",
    year = "2023",
    journal = "Journal of Fluids and Structures",
    url = "https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2023.104000",
    doi = "10.1016/j.jfluidstructs.2023.104000",
    pages = "104000",
    volume = "123"
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Mittlere Flossen wurden gefunden, die die Vorwärtsbewegung beim fischähnlichen Schwimmen verbessern, indem sie den Schub der Schwanzflosse (CF) durch Flossen-Flossen-Wechselwirkung erhöhen und den Widerstand des Rumpfes (TK) durch Körper-Flossen-Wechselwirkung verringern. Aus Gründen der Stabilität oder Leistung haben viele fischähnliche Roboter in ihren Designs Rückenflossen übernommen. Es besteht auch wachsendes Interesse daran, das individuelle Öffnen und Schließen der mittleren Flossen (Fächerbewegung), das in der Natur beobachtet wird, in bioinspirierten Unterwasserfahrzeug-Designs nachzuahmen. Die vorliegende Studie analysiert die Wirkung der periodischen Fächerbewegung der Rückenflosse (DF) auf die Leistung des fischähnlichen Schwimmens hinsichtlich Schuberzeugung und Energieverbrauch. Unter Verwendung eines forellenähnlichen Modells, bei dem eine starke Flossen-Flossen-Wechselwirkung entdeckt wurde, wurde eine periodische Fächerbewegung der DF eingeführt, und direkte numerische Simulationen (DNS) wurden durchgeführt. Eine eingetauchte Grenzschichtmethode (IBM) wird verwendet, um die Form und Bewegung des forellenähnlichen Modells aufzulösen. Die Fächervariante relativ zum Beginn des wellenförmigen Zyklus wird in Schritten von 60° von 0 bis 360° variiert. Unabhängig von der Fächervariante wird die hydrodynamische Leistung immer im Vergleich zur Abwesenheit der Fächerbewegung eingespart. Bei einer Fächervariante (ϕf) von 60° wird die Leistung am meisten eingespart, obwohl ähnlich wie zuvor die Vorwärtskraft auf den Körper als Ganzes reduziert wird. Bei ϕf = 240° wird die Vorwärtskraft im Vergleich zum Fall ohne Fächerbewegung verbessert, mit einer leicht reduzierten hydrodynamischen Leistung. Es wurde festgestellt, dass bei diesem ϕf der viskose Widerstand auf der DF aufgrund ihrer periodischen Reduzierung der Oberfläche verringert wird, während ihre Rolle als Wirbelgenerator weiterhin erfüllt wird, so dass die Wirksamkeit der Flossen-Flossen-Wechselwirkung zur Verbesserung des CF-Schubs erhalten bleibt.

@article{doi101115imece2024145558,
    author = "Guo, Jiacheng und Dong, Haibo",
    title = "Hydrodynamik der aktiven Flossensteuerung beim fischähnlichen Schwimmen",
    year = "2024",
    journal = "Band 8: Fluid Engineering",
    booktitle = "Band 8: Fluid Engineering",
    abstract = "Mittlere Flossen wurden gefunden, die die Vorwärtsbewegung beim fischähnlichen Schwimmen verbessern, indem sie den Schub der Schwanzflosse (CF) durch Flossen-Flossen-Wechselwirkung erhöhen und den Widerstand des Rumpfes (TK) durch Körper-Flossen-Wechselwirkung verringern. Aus Gründen der Stabilität oder Leistung haben viele fischähnliche Roboter in ihren Designs Rückenflossen übernommen. Es besteht auch wachsendes Interesse daran, das individuelle Öffnen und Schließen der mittleren Flossen (Fächerbewegung), das in der Natur beobachtet wird, in bioinspirierten Unterwasserfahrzeug-Designs nachzuahmen. Die vorliegende Studie analysiert die Wirkung der periodischen Fächerbewegung der Rückenflosse (DF) auf die Leistung des fischähnlichen Schwimmens hinsichtlich Schuberzeugung und Energieverbrauch. Unter Verwendung eines forellenähnlichen Modells, bei dem eine starke Flossen-Flossen-Wechselwirkung entdeckt wurde, wurde eine periodische Fächerbewegung der DF eingeführt, und direkte numerische Simulationen (DNS) wurden durchgeführt. Eine eingetauchte Grenzschichtmethode (IBM) wird verwendet, um die Form und Bewegung des forellenähnlichen Modells aufzulösen. Die Fächervariante relativ zum Beginn des wellenförmigen Zyklus wird in Schritten von 60° von 0 bis 360° variiert. Unabhängig von der Fächervariante wird die hydrodynamische Leistung immer im Vergleich zur Abwesenheit der Fächerbewegung eingespart. Bei einer Fächervariante (ϕf) von 60° wird die Leistung am meisten eingespart, obwohl ähnlich wie zuvor die Vorwärtskraft auf den Körper als Ganzes reduziert wird. Bei ϕf = 240° wird die Vorwärtskraft im Vergleich zum Fall ohne Fächerbewegung verbessert, mit einer leicht reduzierten hydrodynamischen Leistung. Es wurde festgestellt, dass bei diesem ϕf der viskose Widerstand auf der DF aufgrund ihrer periodischen Reduzierung der Oberfläche verringert wird, während ihre Rolle als Wirbelgenerator weiterhin erfüllt wird, so dass die Wirksamkeit der Flossen-Flossen-Wechselwirkung zur Verbesserung des CF-Schubs erhalten bleibt.",
    url = "https://www.semanticscholar.org/paper/9d78e40983cf5ce4c95b3280612e2a710fcdc480",
    doi = "10.1115/imece2024-145558",
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Die Erforschung der Fortbewegung von Fischen und anderer aquatischer Organismen bietet wertvolle natürliche Referenzen zur Verbesserung von Technologien für Unterwassergeräte wie Fahrzeuge, Propeller und biomimetische Robotik. Darüber hinaus liefert diese Forschung Einblicke in die Fisch-Evolution und ökologische Dynamiken. Diese Arbeit führte eine numerische Untersuchung der wichtigsten dimensionslosen Parameter in einer Fischschwimmumgebung (Reynolds Re, Strouhal St und Slip-Zahlen) durch, um wertvolles Wissen in Bezug auf biomechanisches Verhalten bereitzustellen. Daher wurde eine dreidimensionale numerische Studie des fischähnlichen Lambari, eines BCF-Schwimmers mit carangiformer Kinematik, unter Verwendung des URANS-Ansatzes mit dem k-ω-SST-Übergangsturbulenzschließungsmodell in der OpenFOAM-Software durchgeführt. In dieser Studie berichteten wir zunächst über die Gleichgewichts-Strouhal-Zahl, die durch St∗ dargestellt wird, und ihre Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl, die als Re bezeichnet wird. Dies wurde unter Einhaltung einer Potenzgesetz-Beziehung von St∝Re(−α) durchgeführt. Zudem führten wir eine umfassende Analyse der hydrodynamischen Kräfte und des Einflusses der Körperwellung bei Fischen auf die Erzeugung von Schwimmwiderstand und Schub durch. Zusätzlich berechneten wir Antriebs- und quasi-antriebliche Effizienzen sowie untersuchten den Einfluss der Reynolds-Zahl und Slip-Zahl auf die Fischleistung. Schließlich führten wir eine Wirbeldynamik-Analyse durch, bei der verschiedene Abström-Konfigurationen unter Variationen der dimensionslosen Parameter St, Re und Slip offengelegt wurden. Darüber hinaus untersuchten wir die Beziehung zwischen der Erzeugung eines Vorderkantenwirbels durch die Schwanzflosse und der maximalen Schubproduktion innerhalb des Bewegungszyklus.

@article{doi103390biomimetics9010045,
    author = "Macías, M. M. und García-Ortiz, J. H. und Oliveira, T. und Júnior, A. C. P. Brasil",
    title = "Numerical Investigation of Dimensionless Parameters in Carangiform Fish Swimming Hydrodynamics",
    year = "2024",
    journal = "Biomimetics",
    abstract = "Die Erforschung der Fortbewegung von Fischen und anderer aquatischer Organismen bietet wertvolle natürliche Referenzen zur Verbesserung von Technologien für Unterwassergeräte wie Fahrzeuge, Propeller und biomimetische Robotik. Darüber hinaus liefert diese Forschung Einblicke in die Fisch-Evolution und ökologische Dynamiken. Diese Arbeit führte eine numerische Untersuchung der wichtigsten dimensionslosen Parameter in einer Fischschwimmumgebung (Reynolds Re, Strouhal St und Slip-Zahlen) durch, um wertvolles Wissen in Bezug auf biomechanisches Verhalten bereitzustellen. Daher wurde eine dreidimensionale numerische Studie des fischähnlichen Lambari, eines BCF-Schwimmers mit carangiformer Kinematik, unter Verwendung des URANS-Ansatzes mit dem k-ω-SST-Übergangsturbulenzschließungsmodell in der OpenFOAM-Software durchgeführt. In dieser Studie berichteten wir zunächst über die Gleichgewichts-Strouhal-Zahl, die durch St∗ dargestellt wird, und ihre Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl, die als Re bezeichnet wird. Dies wurde unter Einhaltung einer Potenzgesetz-Beziehung von St∝Re(−α) durchgeführt. Zudem führten wir eine umfassende Analyse der hydrodynamischen Kräfte und des Einflusses der Körperwellung bei Fischen auf die Erzeugung von Schwimmwiderstand und Schub durch. Zusätzlich berechneten wir Antriebs- und quasi-antriebliche Effizienzen sowie untersuchten den Einfluss der Reynolds-Zahl und Slip-Zahl auf die Fischleistung. Schließlich führten wir eine Wirbeldynamik-Analyse durch, bei der verschiedene Abström-Konfigurationen unter Variationen der dimensionslosen Parameter St, Re und Slip offengelegt wurden. Darüber hinaus untersuchten wir die Beziehung zwischen der Erzeugung eines Vorderkantenwirbels durch die Schwanzflosse und der maximalen Schubproduktion innerhalb des Bewegungszyklus.",
    url = "https://www.mdpi.com/2313-7673/9/1/45/pdf?version=1704983686",
    doi = "10.3390/biomimetics9010045",
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    number = "1",
    pages = "45",
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    volume = "9"
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Medianflossen, einschließlich der Rückenflossen und Afterflossen, beeinflussen den Fischantrieb, indem sie den Körperwiderstand verringern und den Schub der Schwanzflossen durch aktive Bewegung erhöhen. Während ihre Rolle beim Schwimmen in der Einzelheit etabliert ist, bleibt ihr Einfluss auf die Hydrodynamik in Schwarmumgebungen unklar. Mittels hochauflösender Simulationen der Strömungsmechanik für Fischpaare in Reihe variierten wir systematisch das Vorhandensein von Medianflossen bei Führern und Folgenden, um leistungsbedingte Veränderungen durch Nachbarn zu isolieren. Beim Vergleich der Konfiguration mit vollen Flossen zur flossenlosen Konfiguration bei einem stromlinienweisen Abstand (S) von 1,1 Körperlängen (l) zwischen Führer und Folger wurde der Widerstand des Folgers um 9,5 % reduziert. Ein signifikanter Anteil der gesamten Widerstandsreduktion, etwa 70 %, war nachbarschaftlich induziert und resultierte aus Wechselwirkungen zwischen dem Körper und dem Nachlauf eines Führers mit Medianflossen, während der Rest auf das Hinzufügen der eigenen Medianflossen des Folgers zurückzuführen war. Dieser nachbarschaftlich induzierte Vorteil entsteht durch stärkere vom Führer erzeugte Wirbelstrukturen, die mit dem Körper des Folgers interagieren und sowohl den Scher- als auch den Druckwiderstand verringern. Die nachbarschaftlich induzierten Vorteile bestehen über einen Bereich von Abständen hinweg und nehmen nur jenseits von S = 1,4 l ab. Bei höheren Reynolds-Zahlen dominiert die nachbarschaftlich induzierte Widerstandsreduktion ebenfalls die gesamte Widerstandsreduktion des Folgers. Diese Erkenntnisse zeigen, dass Medianflossen als hydrodynamische Werkzeuge zur Verbesserung der Schwarmleistung durch nachbarschaftlich induzierte Effekte dienen können und ihre anerkannte funktionelle Rolle über selbstinduzierte Verbesserungen beim Schwimmen in der Einzelheit hinaus erweitern.

@article{menzer2026fins,
    author = "Menzer, Alec and Pan, Yu and Lauder, George V and Dong, Haibo",
    title = "Fins in formation: hydrodynamic impact of median fins in in-line fish swimming",
    year = "2026",
    journal = "Bioinspiration \& Biomimetics",
    abstract = "Medianflossen, einschließlich der Rückenflossen und Afterflossen, beeinflussen den Fischantrieb, indem sie den Körperwiderstand verringern und den Schub der Schwanzflossen durch aktive Bewegung erhöhen. Während ihre Rolle beim Schwimmen in der Einzelheit etabliert ist, bleibt ihr Einfluss auf die Hydrodynamik in Schwarmumgebungen unklar. Mittels hochauflösender Simulationen der Strömungsmechanik für Fischpaare in Reihe variierten wir systematisch das Vorhandensein von Medianflossen bei Führern und Folgenden, um leistungsbedingte Veränderungen durch Nachbarn zu isolieren. Beim Vergleich der Konfiguration mit vollen Flossen zur flossenlosen Konfiguration bei einem stromlinienweisen Abstand (S) von 1,1 Körperlängen (l) zwischen Führer und Folger wurde der Widerstand des Folgers um 9,5 % reduziert. Ein signifikanter Anteil der gesamten Widerstandsreduktion, etwa 70 %, war nachbarschaftlich induziert und resultierte aus Wechselwirkungen zwischen dem Körper und dem Nachlauf eines Führers mit Medianflossen, während der Rest auf das Hinzufügen der eigenen Medianflossen des Folgers zurückzuführen war. Dieser nachbarschaftlich induzierte Vorteil entsteht durch stärkere vom Führer erzeugte Wirbelstrukturen, die mit dem Körper des Folgers interagieren und sowohl den Scher- als auch den Druckwiderstand verringern. Die nachbarschaftlich induzierten Vorteile bestehen über einen Bereich von Abständen hinweg und nehmen nur jenseits von S = 1,4 l ab. Bei höheren Reynolds-Zahlen dominiert die nachbarschaftlich induzierte Widerstandsreduktion ebenfalls die gesamte Widerstandsreduktion des Folgers. Diese Erkenntnisse zeigen, dass Medianflossen als hydrodynamische Werkzeuge zur Verbesserung der Schwarmleistung durch nachbarschaftlich induzierte Effekte dienen können und ihre anerkannte funktionelle Rolle über selbstinduzierte Verbesserungen beim Schwimmen in der Einzelheit hinaus erweitern.",
    url = "https://doi.org/10.1088/1748-3190/ae3652",
    doi = "10.1088/1748-3190/ae3652",
    number = "1",
    pages = "016013",
    volume = "21"
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