E8 Hydrodynamik von Untiefen

Thema

Die Schwarmhydrodynamik beschreibt, wie die Wechselwirkung der von jedem Fisch erzeugten Strömungsfelder, wenn mehrere Fische dicht beieinander schwimmen, den individuellen Energieaufwand jedes einzelnen Fisches reduzieren und kollektive Wirbelstrukturen erzeugen kann, die den stromabwärts schwimmenden Fischen zugutekommen. Dieses Phänomen ist das aquatische Äquivalent zum Windschattenfahren, das Radfahrer im Peloton nutzen: Ein Fisch, der im Kielwasser eines anderen schwimmt, kann die von diesem erzeugten Wirbel nutzen, um Energie aus dem Wasser zu gewinnen, anstatt seine eigene Energie durch Abgabe an das Wasser zu verbrauchen, wie es beim normalen Schwimmen der Fall ist.

Schwimmt ein Fisch im Kielwasser gegenläufiger Wirbel, die von einem anderen Fisch erzeugt wurden, und positioniert er sich dabei richtig, kann er einen Schwimmmodus namens Kármán-Gang einnehmen: Er synchronisiert die Bewegung seiner Schwanzflosse mit der Frequenz der Wirbel im Kielwasser und gewinnt so Energie aus ihnen, ähnlich wie ein Surfer Energie aus einer Welle gewinnt, anstatt selbst Schwung zu erzeugen.

Dieser hydromechanische Effekt der Energiegewinnung aus dem Kielwasser des führenden Fisches erfordert die gleichzeitige Erfüllung zweier Bedingungen: Der Abstand zwischen den beiden Fischen muss in einem optimalen Bereich zwischen drei und fünf Zehnteln ihrer Körperlänge liegen, und die Schwimmfrequenz des nachfolgenden Fisches muss mit den Wirbeln im Kielwasser des führenden Fisches synchronisiert sein.

Die durch diese Schwarmbildung erzielte Reduzierung der Transportkosten für den nachfolgenden Fisch lässt sich mithilfe der Potentialtheorie, angewendet auf die Wechselwirkung von Wirbeln, modellieren: Die durch die Wirbel im Kielwasser des führenden Fisches hervorgerufene Geschwindigkeit erhöht die effektive Vorwärtsgeschwindigkeit des nachfolgenden Fisches, ohne dass zusätzliche Energie benötigt wird. Dadurch werden seine Transportkosten im Vergleich zum Alleinschwimmen um zehn bis vierzig Prozent reduziert.

Wird dieser Effekt bei allen Fischen des Schwarms wiederholt, ist die resultierende kollektive Wirbelstärke nicht mehr auf die Skala eines einzelnen Fisches beschränkt, sondern bildet zusammenhängende Strukturen, die größer sind als die Länge jedes einzelnen Fisches. Diese Strukturen beeinflussen das Druckfeld der gesamten Gruppe, nicht nur das der einzelnen Führungs- und Folgefischpaare.

Das zu erwartende Verhalten in dieser Schwarmhydrodynamik ist, dass die günstigste Position für einen Fisch innerhalb des Schwarms nicht direkt hinter dem Führungsfisch liegt, sondern seitlich versetzt und leicht dahinter, an der Flanke der Wirbel in seinem Nachlauf, wo die auf den Folgefisch induzierte Geschwindigkeit ihren Maximalwert erreicht.

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