Морфология и энергетика следа за постоянно плавающим карасем при различных скоростях потока

Почему плавание рыб важно для рек и людей

Когда рыба плывёт по реке, она делает больше, чем просто скользит по воде. Каждый взмах хвоста поднимает закрученные структуры, которые рассказывают о распределении энергии, затратах и выживании. В этом исследовании подробно рассмотрены караси — распространённая пресноводная рыба — чтобы понять, как они плавают наиболее эффективно и с какими усилиями сталкиваются при разных скоростях воды. Эти выводы могут помочь инженерам проектировать рыбопропускные сооружения у плотин и восстанавливать реки так, чтобы у рыб были благоприятные условия для миграции, кормёжки и размножения.

Наблюдение за рыбами в контролируемом водяном туннеле

Чтобы выявить эти закономерности, исследователи поместили карасей в специальный плавательный туннель, где скорость воды можно было точно регулировать. Высокоскоростные камеры фиксировали движения рыбы, регистрируя скорость и амплитуду перемещений головы и хвоста при каждом взмахе. Одновременно лазерная система визуализации подсвечивала микрочастицы в воде, позволяя команде картировать поток вокруг рыбы и вихревую «полосу» следа позади неё. Такая установка позволила связать движение тела, движение воды и расход энергии в одном едином изображении.

Поиск «сладкого места» для устойчивого плавания

По мере увеличения скорости потока караси отвечали учащением взмахов хвоста и изменением амплитуды колебаний головы и хвоста. Рыбы могли поддерживать устойчивое плавание до критической скорости примерно 0,85 м/с, за которой они уже не успевали за потоком. Наиболее интересные изменения происходили при немного меньших скоростях, около 0,60–0,75 м/с. В этом диапазоне расстояние, проходимое за один взмах хвоста, и величина колебаний хвоста изменялись так, что это свидетельствовало о перестройке стратегии расходования усилий. Безразмерная характеристика, связанная с движением хвоста и скоростью и известная по предыдущим работам как индикатор эффективного плавания, также попадала в благоприятный диапазон именно здесь.

Чтение вихревых «следов» в воде

Лазерная визуализация показала, что каждый взмах хвоста образует пару вращающихся водных структур — вихрей, которые выстраиваются позади рыбы цепочкой. Между этими парными закрутками узкая струя воды выталкивается назад, обеспечивая продольную тягу. По мере увеличения скорости карасей сила этих вихрей и энергия, содержащаяся в них, неуклонно возрастали. Рассматривая каждую пару как крошечный «двигатель», исследователи рассчитали, какая доля энергии следа идёт в полезную тягу, а какая лишь перемешивает воду. В широком диапазоне скоростей караси превращали около 62–84% энергии следа в полезную тягу — высокий уровень гидродинамической эффективности, который удивительно мало зависел от скорости.

Когда плавание становится напряжением

Ранее та же команда, работавшая с этими же рыбами, измеряла расход кислорода и показала, что караси начинают привлекать кратковременные, малооксигенированные энергетические резервы при скоростях между 0,60 и 0,75 м/с. Новые измерения следа согласуются с этой метаболической перестройкой: в том же диапазоне скоростей меняется характер движений головы и хвоста, поведение длины шага трансформируется, а структура следа перестраивается, хотя общая эффективность остаётся высокой. Сопротивление, которое испытывают рыбы при активных взмахах хвоста, оказалось в несколько раз выше, чем предсказывают простые формулы для жёстких тел, что подчёркивает: живые, гибкие пловцы испытывают совсем другие силы, чем твёрдые тестовые объекты.

Что это значит для рек и будущих роботов

В целом исследование показывает, что караси плавают наиболее эффективно на скорости примерно 70–88% от их максимальной устойчивой скорости. При скоростях выше этого диапазона им приходится задействовать энергетические резервы, которые труднее восполнить, что снижает выносливость и может негативно сказаться на долгосрочном здоровье. Для управленцев реками это означает, что скорости воды в рыбопропускных сооружениях и восстановленных каналах следует удерживать ниже этого порога, чтобы повысить шансы безопасного пропуска рыб. Для инженеров, создающих роботов, вдохновлённых рыбами, детальная связь между движением хвоста, структурой следа и эффективностью даёт рекомендации по проектированию гибких, энергосберегающих систем тяги, имитирующих тонкие способы, которыми настоящие рыбы перемещают воду.

Цитирование: Hou, Y., Wang, X., He, F. et al. Morphology and energetics of the wake behind a continuously swimming crucian carp at different flow velocities. Sci Rep 16, 15970 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46672-x

Ключевые слова: плавание рыб, гидродинамика, вихри следа, карась, проектирование рыбопропускных сооружений