Effects of viscosity on swimming kinematics and symmetry breaking in micro- to mesoscale swimmers

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-11-30

Department

Major/Subject

teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

22

Series

Abstract

Swimming strategies vary across different regimes of Reynolds numbers as the significance of viscous and inertial forces changes. At the macroscale, inertia contributes substantially to propulsion, while locomotion at the microscale requires non-reciprocal motion, a breaking of the time-symmetry. In between the well understood micro- and macroscales lies the mesoscale regime, where both viscous and inertial forces are significant and swimming remains less fully understood. This intermediate regime is particulary interesting, as neither purely viscous nor entirely inertial models can accurately describe it. Artemia is a micro- to mesoscale swimmer that transitions across Reynolds number during its growth and development. In this thesis, the effects of an increase in viscosity on the swimming kinematics and symmetry-breaking of Artemia was investigated. This was done by capturing high-speed recordings of Artemia swimming in brine and polyvinyl pyrrolidone (PVP) solution, and analysing the resulting footage using deep neural network based image tracking software (DeepLabCut). By increasing the viscosity of the surrounding medium, the Reynolds numbers of the Artemia were artificially shifted down to levels the Artemia would otherwise not experience at their body size and developmental stage. The swimming Reynolds numbers where reduced from 1-7 in brine to below 1 in PVP. Under these conditions, decreases in antenna tip velocity and stroke amplitude were observed, while swimming frequency remained unaffected. A decrease in symmetry-breaking level was also noted, which indicates a shift to more reciprocal motion as viscosity increases. These results provide some insight into how real micro- to mesoscale swimmers, like Artemia, adapt to transitions in Reynolds number due to changes in viscosity.

Simstrategier varierar över olika intervall av Reynoldstal, då balansen mellan betydelsen av tröghets- och viskösa krafter skiftar. På makroskalan bidrar tröghetskrafter i hög grad till framdrift, medan rörelse på mikroskalan kräver icke reciprok rörelse, det vill säga rörelse som bryter tidssymmetrin. Mellan de väl förstådda mikro- och makroskalorna finns mesoskalan, där både viskösa och tröghetskrafter är betydelsefulla, och där simning fortfarande är sämre förstådd. Detta övergångsintervall är särskilt intressant, eftersom modeller som tar i beaktande endast viskösa eller tröghetskrafter då inte räcker till för att korrekt beskriva simning. Saltkräftan Artemia är en mikro- till mesoskalans simmare som passerar olika Reynoldstal under sin tillväxt och utveckling. I detta arbete undersöks hur en ökning i viskositet påverkar simkinematik och symmetribrott hos Artemia. Detta studerades genom att filma Artemia i artificiellt havsvatten samt i polyvinylpyrrolidon (PVP)-lösning med höghastighetskamera, och sedan analysera materialet med hjälp av ett djupinlärningsbaserat spårningsprogram (DeepLabCut). Genom att öka viskositeten av den omgivande vätskan sänktes Artemias Reynoldstal artificiellt ner till nivåer som de annars inte skulle uppleva vid sin kroppsstorlek och levnadsfas. Reynoldstalen minskade från cirka 1-7 i havsvatten till under 1 i PVP-lösning. Under dessa förhållanden observerades sänkning i antennspetsens hastighet och minskning i amplitud av antennernas rörelser, medan simfrekvensen förblev oförändrad. En minskning i graden av symmetribrott noterades också, vilket indikerar att rörelsen blev mera reciprok när viskositeten ökade. Dessa resultat ger en inblick i hur riktiga mikro- till mesoskalans simmare, såsom Artemia, anpassar sin simstrategi till förändringar i Reynoldstal till följd av en varierande viskositet.

Description

Supervisor

Backholm, Matilda

Thesis advisor

Nagaraja, Sharadhi

Keywords

swimming kinematics, low Reynolds number, intermediate Reynolds number, fluid mechanics, viscosity, mesoscale swimming

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202603032645

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI