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物理学 > 流体动力学

arXiv:2501.01554 (physics)
[提交于 2025年1月2日 (v1) ,最后修订 2025年2月21日 (此版本, v2)]

标题: 鞭毛步态变化的定量分析结合形状模式分析和游泳模拟

标题: Quantification of Flagellar Gait Changes with Combined Shape Mode Analysis and Swimming Simulations

Authors:Kelli E. Gutierrez, Becca Thomases, Paulo E. Arratia, Robert D. Guy
摘要: 许多不同的微型游泳器使用周期性摆动的鞭毛进行自我推进。 鞭毛摆动的形状和游泳速度已被观察到会随着流体的流变学特性而变化。 我们使用(1)形状模式分析和(2)完整的游泳器模拟来量化衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)鞭毛波形在流体粘度变化时的变化,以分析形状变化如何影响游泳速度,并探索形状空间的维度。 通过将步态分解为时间不变的平均形状和随时间变化的击打动作,我们发现鞭毛的平均形状对粘度有显著变化,而随时间变化的击打动作的变化则更为细微。 使用游泳器模拟,我们量化了游泳速度如何受到鞭毛形状重建维度的影响,并表明观察到的游泳速度随粘度的变化是由平均鞭毛形状和摆动频率的变化所解释的,而不同随时间变化的击打动作对游泳速度的影响则处于细胞间变化的尺度上。
摘要: Many different microswimmers propel themselves using flagella that beat periodically. The shape of the flagellar beat and swimming speed have been observed to change with fluid rheology. We quantify changes in the flagellar waveforms of Chlamydomonas reinhardtii in response to changes in fluid viscosity using (1) shape mode analysis and (2) a full swimmer simulation to analyze how shape changes affect the swimming speed and to explore the dimensionality of the shape space. By decomposing the gait into the time-independent mean shape and the time-varying stroke, we find that the flagellar mean shape substantially changes in response to viscosity, while the changes in the time-varying stroke are more subtle. Using the swimmer simulation, we quantify how the swimming speed is affected by the dimensionality of the flagellar shape reconstruction, and we show that the observed change in swimming speed with viscosity is explained by the variations in mean flagellar shape and beat frequency, while the changes in swimming speed from the different time-varying strokes are on the scale of variation between cells.
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn) ; 生物物理 (physics.bio-ph)
引用方式: arXiv:2501.01554 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2501.01554v2 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01554
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Kelli Gutierrez [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 1 月 2 日 22:10:47 UTC (1,676 KB)
[v2] 星期五, 2025 年 2 月 21 日 22:39:01 UTC (1,498 KB)
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