Boeing met de neus van een zwaardvis

Bionica. Geen nieuwe multivitamine of een overgewaaide meisjesnaam, maar de tak van wetenschap die dingen uit de natuur wil leren en die toepassen in de techniek. Door nauwkeurig te bestuderen hoe het menselijk oog werkt, hebben ingenieurs computers kunnen bouwen die handschriften lezen. Mercedes adverteert met het sonar-systeem van vleermuizen om de afstand tussen een auto en een obstakel te meten. Opel ontwikkelt een velg gebaseerd op het groeimodel van een boom (zie Residu). Natura Artis Magistra, de natuur is leermeesteres voor de kunst, maar ook voor wetenschap en techniek.

Op loopafstand van de dierentuin die zijn naam ontleent aan deze mooie spreuk, in het gebouw van de Universiteit van Amsterdam, vierde het Nederlands Instituut voor Biologie vorige week vrijdag zijn derde lustrum. Een van de sprekers op het symposium ”Biologie en techniek”, dr. J. J. Videler, probeerde daar het geheim van de zwaardvis te ontrafelen.

Snelste zwemmer

Niemand heeft het ooit gemeten, maar de 3 tot 4 meter lange zwaardvis gaat door voor de snelste zwemmer ter wereld. Schattingen variëren van 80 tot 130 kilometer per uur, en dat terwijl onder water de weerstand toeneemt met het kwadraat van de snelheid. De puntige bovenkaak, het zwaard, kan wel tot 40 of 45 procent van de lengte van volwassen dieren uitmaken.

Videler, marien bioloog aan de Rijksuniversiteit Groningen, raakte al een aantal jaren geleden gebiologeerd door de hoge topsnelheid van de zwaardvis. „Het is een extreem dier. De fysische omstandigheden bij deze snelheid en afmetingen komen overeen met die van een Boeing 747. Dus als ik hier iets vind dat aan die snelheid bijdraagt, kan ik het misschien op verkeersvliegtuigen toepassen”.

Er blijkt niet veel bekend te zijn over de dieren. „In de literatuur is weinig te vinden. Op Internet vind je alleen recepten”. Zwaardvissen blijken een lekkernij te zijn, omdat ze geen pezen hebben. Ook dat is raadselachtig voor zo’n snelle zwemmer.

Uit de literatuur komt een onderzoek uit 1977 naar voren. Studies met een model van de vis, met en zonder zwaard, wijzen uit dat door het langgerekte orgaan de druk beter verdeeld wordt over het lichaam, vooral bij de kop en de schouders.

Zwaard door boot

Elke encyclopedie vertelt dat hef zwaard dient om ermee te jagen, maar Videler is daar niet van overtuigd. „Stel dat het beest een vis aan zijn zwaard spiest, dan zit die vis op zijn ogen. En de zwaardvis heeft geen handjes om hem eraf te krijgen”. De verhalen over zwaardvissen die boten aanvallen neemt hij met een korreltje zout. „Tja, als er een bootje dwars op de route ligt … Het dier kan slecht remmen, dan is het beest dus dood en steekt het zwaard door de boot”.

De bioloog ontdekte dat het zwaard helemaal niet zo sterk is. Toen hij met een op Corsica gevangen exemplaar terugkwam uit het Groningse ziekenhuis, stootte hij tegen de deur en het zwaard brak eraf. Videler had van het dier mri-scans en andere opnamen laten maken. Op elektronenmicroscopische foto’s blijkt dat het zwaard een ruw oppervlak heeft, met kleine holtes van 0,1 tot 0,2 millimeter, die onderling verbonden zijn. De verbindingen tussen de holtes lopen zelfs door onder de oppervlakte van het zwaard, zodat er een poreus systeem ontstaat. Vreemd genoeg is de rest van het lichaam van het dier spekglad. Videler vermoedde dat het ‘zwaard van schuurpapier’ juist een aerodynamische functie had, hoewel dat erg tegenstrijdig leek.

Om zijn hypothese te testen, ontwierp de bioloog een proefopstelling waarin water door een platte buis langs een gladde en een stroeve wand stroomde en waarin hij met een laservlak exact de snelheid kon meten. Aan het begin van de buis was er geen verschil, maar een meter verderop stroomde er meer water door de helft met de ruwe wand dan door de helft die aan de gladde wand grensde.

Videier gebruikte die resultaten om de werking van het zwaard te verklaren. „Men ging er altijd van uit dat ruwheid een hogere weerstand betekent. Er is inderdaad meer wrijving langs die ruwe kant, maar het blijkt dat daardoor juist een veel dunnere grenslaag van turbulent water ontstaat. De kop van het dier duikt als het ware in geprepareerd water. Bij een glad zwaard zou het water veel meer wervelingen veroorzaken”.

Ook de holle vorm van de kop, waardoor het zwaard in één lijn doorloopt naar de starre rugvin, draagt bij aan de aërodynamica van het dier. Videler vermoedt dat de holtes in het zwaard eveneens een functie hebben, bijvoorbeeld voor het derapen van drukverschillen. Hij is bezig met experimenten om dat aan te tonen.

Videler vergelijkt de poreuze wand met de schubstructuur van grote haaien. Bij deze dieren en bij veel andere vissen zijn de schubben als het ware op pootjes ingeplant in de huid. Onder de schubben zit een met vloeistof gevulde ruimte, die mogelijk eenzelfde functie heeft als de wand van het zwaard.

Airbus

Wat moet de vliegtuigindustrie met deze wijsheid? De Groningse bioloog vertelt over experimenten waarbij een vliegtuig van Airbus beplakt is met ribbelfolie van 3M. Theoretisch moest hiermee een 10 procent lagere weerstand mogelijk zijn. Het bleek niet te werken, volgens Videler omdat het hele toestel met folie bedekt was. „Op andere plaatsen van het vliegtuig veroorzaakt die folie juist een hogere weerstand. Je zou een soort zwaard op de neus moeten plakken en daar ruwheid op aanbrengen”, suggereert hij.

Aërodynamica

De stroming van vloeistoffen langs een lichaam vak uiteen in een grenslaag vlak langs het lichaam, waar de snelheid sterkt varieert, en de laag daaromheen, waar de druk en de snelheid van de omringende vloeistof uniform zijn. In beide lagen kon zowel een laminaire als een turbulente stroming optreden. Bij laminaire stroming bewegen de deeltjes van de vloeistof zich gelijkmatig en ‘gestroomlijnd’ langs het object, bij turbulentie treden wervelingen op, die de snelheid van het object vertragen. De overgang van laminaire naar turbulente stroming hangt onder meer af van de viscositeit (de stroperigheid) van de vloeistof, de snelheid en de lengte van het lichaam. Voor gassen geldt hetzelfde, maar de viscositeit is daar veel lager.

Osborne Reynolds, een Engels fysicus, ontwierp eind vorige eeuw een opstelling om dit gedrag van vloeistoffen langs een wand te bestuderen; het Reynolds-getal bepaalt de overgang van laminaire naar turbulente stroming langs een lichaam. Het Reynolds-getal van een zwaardvis is ongeveer 10_ en komt overeen met dat van verkeersvliegtuigen. Alleen met aanpassingen is het mogelijk met zo’n hoog Reynolds-getal ernstige turbulentie te voorkomen. Videler veronderstek dat de ruwheid aan de punt van het zwaard voor een ‘mildere’ turbulentie in de grenslaag zorgt, waardoor deze grenslaag dun blijft.

Deze tekst is geautomatiseerd gemaakt en kan nog fouten bevatten. Digibron werkt voortdurend aan correctie. Klik voor het origineel door naar de pdf. Voor opmerkingen, vragen, informatie: contact.

Op Digibron -en alle daarin opgenomen content- is het databankrecht van toepassing. Gebruiksvoorwaarden. Data protection law applies to Digibron and the content of this database. Terms of use.

Printen