E3 Schwimmmodi und Reynoldszahl

Thema

Die Schwimmarten von Fischen werden anhand zweier Kriterien klassifiziert: dem Körperteil, der aktiv am Vortrieb beteiligt ist, und dem Strömungsregime, in dem der Fisch schwimmt, charakterisiert durch die Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl vergleicht die Trägheitskräfte des Fluids mit seinen Viskositätskräften und hängt von der Schwimmgeschwindigkeit, der Größe des Fisches und der Viskosität des Wassers ab: Bei einer Reynolds-Zahl unter eins überwiegt die Viskosität des Fluids, wie beispielsweise bei Fischlarven oder beim Schwimmen mit einer Geißel. Liegt die Reynolds-Zahl zwischen eins und tausend, befindet sich die Strömung in einem Übergangsregime. Übersteigt die Reynolds-Zahl tausend, dominieren die Trägheitskräfte, und die in einem früheren Modell dieser Sammlung beschriebene konventionelle Hydrodynamik der Wirbelbildung tritt auf.

Zusätzlich zu diesem Strömungsregime unterscheidet die kinematische Klassifizierung der Schwimmarten zwischen solchen, die Körper und Schwanzflosse nutzen, wobei sich die Wellenbewegung vom Kopf oder der Körpermitte zum Schwanz ausbreitet, und solchen, die die mittleren und paarigen Flossen einsetzen, wobei die Brust-, Rücken- oder Bauchflossen den Vortrieb erzeugen, während der Rest des Körpers starr bleibt.

Innerhalb der Schwimmarten, die Körper und Schwanzflosse nutzen, existiert ein ganzes Spektrum, je nachdem, wie viel vom Körper an der Wellenbewegung beteiligt ist: Die aalartige Schwimmart, charakteristisch für den Aal, erzeugt eine Welle mit großer Amplitude entlang des gesamten Körpers; die subcarangiforme Schwimmart, charakteristisch für die Forelle, konzentriert diese Wellenbewegung auf das hintere Drittel des Körpers; die carangiforme Schwimmart, charakteristisch für die Makrele, nutzt nur den Schwanzstiel und die Schwanzflosse selbst. Die für Thunfische charakteristische tuniforme Schwimmweise hält den Körper vollkommen starr und beschränkt jegliche wellenförmige Bewegung auf einen Schlag der Schwanzflosse mit einer hohen Strouhal-Zahl.

In jeder dieser Schwimmweisen muss die Geschwindigkeit der kinematischen Welle entlang des Fischkörpers größer sein als die Schwimmgeschwindigkeit des Fisches selbst, damit ein Nettovortrieb entsteht. Das Verhältnis zwischen Schwimmgeschwindigkeit und Geschwindigkeit dieser kinematischen Welle definiert präzise die kinematische Effizienz der Schwimmweise. Im Grenzfall, dass Schwimmgeschwindigkeit und Geschwindigkeit der kinematischen Welle übereinstimmen, steht kein Vortrieb zur Verfügung, und der wellenförmige Körper des Fisches bewegt sich einfach fort, ohne Nettovortrieb zu erzeugen, wie es beispielsweise bei einem Aal der Fall wäre, der seinen Körper in einer reinen Verdrängungsbewegung ohne Vorwärtsbewegung wellenförmig bewegt.

Das zu erwartende Verhalten innerhalb dieses Spektrums von Schwimmmodi ist, dass Modi, die stärker auf die Schwanzflosse konzentriert sind, wie der tuniforme Modus, bei hohen Geschwindigkeiten effizienter sind, während Modi, die den gesamten Körper wellenförmig bewegen, wie der aalartige Modus, bei niedrigen Geschwindigkeiten und in einem moderaten Reynoldszahlbereich manövrierfähiger sind, der gleichen Reynoldszahl, die zu Beginn dieses Modells als eines der beiden Kriterien eingeführt wurde, die die Schwimmmodi von Fischen klassifizieren.

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