Modelling the hydrodynamics of swimming fish. From individuals to infinite schools

Promotie: dhr. D.A.P. Reid, 13.15 uur, Aula Academiegebouw, Broerstraat 5, Groningen

Proefschrift: Modelling the hydrodynamics of swimming fish. From individuals to infinite schools

Promotor(s): prof.dr. C.K. Hemelrijk

Faculteit: Wiskunde en Natuurwetenschappen

Zwemmen in een school spaart energie

Voor vissen is het niet alleen voor de veiligheid en om sociale redenen voordelig om in een school te zwemmen, maar ook vanuit energetisch oogpunt, concludeert Daniel Reid in zijn proefschrift. Hij deed onderzoek naar de hydrodynamica van vissen, die zwemmen door hun lichaam gestaag te golven. Hij onderzocht dit met een computermodel (de zogeheten Multiparticle Collision Dynamics methode) en een meta-analyse van gepubliceerde data over zwemmende vissen. In het computermodel simuleerde hij het water en zijn dynamica door middel van miljoenen deeltjes die rondbewegen en met elkaar botsen. Uit dit gedrag op microschaal ontstaat op macroschaal gedrag dat hydrodynamisch klopt.

Reid ontdekte dat het toevoegen van lange, staartachtige platen aan de stroomafwaartse zijde van een cylinder de waterweerstand verhoogt bij lage Reynoldsgetallen, maar verlaagt bij hogere Reynoldsgetallen. Dit verklaart mogelijk waarom kleine dieren in plaats van platte staarten ronde flagellae gebruiken. Door een zwemmende vis te bestuderen toonde Reid aan dat het beperken van hun acceleratie in de zijrichting (zoals veel simulaties van zwemmende vissen doen) de resultaten kan beïnvloeden: de kracht- en stroompatronen zijn sterker, zodat zij lijken op die van een niet-beperkte vis met een hogere staartslagfrequentie.

In simulaties van oneindig grote scholen vissen ontdekte hij dat in de meeste gevallen het voordelig is, qua zwemsnelheid en efficiëntie, om in groepen te zwemmen, zelfs in een lange rij achter elkaar. Door een meta-analyse van de wetenschappelijke literatuur over gestaag zwemmende echte vissen vond Reid enkele wetmatigheden die ongeacht de vissoort gelden, onder andere dat de achterwaartse snelheid V van de voortstuwende lichaamsgolf de belangrijkste factor is voor het bepalen van de uiteindelijke zwemsnelheid U, en dat de zogeheten 'slip ratio' (U/V) afhangt van het Reynoldsgetal.

Daniel Reid (Westeremden, 1978) studeerde kunstmatige intelligentie aan de Rijksuniversiteit Groningen, en voerde zijn promotieonderzoek uit bij de vakgroep theoretische biologie. Inmiddels werkt hij als programmeur bij het UMCG.