Скороходы морей

Скороходы морей

Бионика — новая наука, возникшая на стыке биологии и техники. Она использует биологические процессы, живые системы как модели для создания новых технических устройств и решения инженерных задач. Поскольку живые биологические прототипы для целей моделирования в технике могут относиться к самым различным группам живой природы, возможность применения бионики очень широка.
В мире существует почти 1,5 млн. разных видов животных, и все они отлично приспособлены к окружающей среде. Такая приспособленность — результат естественного отбора, в котором выживают наиболее приспособленные и гибнут неприспособленные. Естественный отбор — непрерывно действующий механизм, который оттачивает до совершенства любые признаки всякого вида, наиболее соответствующие условиям жизни в данной среде. Для водных млекопитающих важное преимущество в борьбе за существование дает быстрота передвижения. Завоеванию дельфинами Мирового океана способствовали их быстроходность и отличная звуковая ориентация, обеспечиваемая совершенно устроенным гидролокатором. Изучение приспособлений быстро плавающих водных животных может подсказать ценные идеи для повышения скоростных качеств судов. Особо достойны изучения дельфины (рис. 23, 24), способные стремительно двигаться и совершать гигантские прыжки при сравнительно слабом расходе энергии: ведь в течение многих тысячелетий они приспособлялись догонять быстроходных рыб, чтобы питаться.

Их скорость зависит, конечно, от хорошей обтекаемости как всего тела, так и его отдельных частей. Главный локомоторный орган китообразных — хвост, т. е. сжатый с боков хвостовой стебель и горизонтально расположенные хвостовые лопасти. Хвостовой стебель совершает удары вверх-вниз, а лопасти работающего хвоста принимают разные углы наклона к продольной оси стебля: когда стебель идет вниз, лопасти поворачиваются вверх и наоборот. Вращательных движений при плавании хвост не производит. Частота и размах ударов хвоста и степень наклона хвостовых лопастей влияют на быстроту плавания. Наблюдения показывают, что дельфины, плывущие возле носа эсминцев и быстроходных катеров, могут двигаться со скоростью до 65 км/ч. Однако в этих случаях животные используют толкающую силу «оседланной» корабельной волны, и такая скорость не свойственна им при свободном движении в море. В экспериментах, проведенных на Гавайских островах с малайскими продельфинами, специально выпускаемыми для скоростного пробега, Т. Ланг и К. Прайор установили максимальную скорость не более 40,6 км/ч (11,3 м/сек). Близкую цифру (36 км/ч, или 10 м/сек) нашли советские исследователи В. Шулейкин, В. Лукьянова и И. Стась в 1937 году для дельфина-белобочки. У гринды максимальная скорость в Калифорнийском океанариуме была 40 — 48 км/ч, а у косаток, по наблюдениям с судна «Монтерей», варьировала в течение 20 минут от 38 до 55 км/ч. Даже самые быстроходные дельфины способны двигаться с большой скоростью недолго, лишь несколько минут.
Удивляло то, что по расчетам гидродинамиков дельфин не может развивать скорость более 20 км/ч, а в действительности он превышает эту цифру в 2 — 3 раза.
Каким образом обеспечивается высокая скорость передвижения китообразных? Еще в 1936 году американец Джемс Грэй, изучавший движение водных животных, заинтересовался необычайной легкостью плавания дельфинов. Грэй буксировал по бассейну жесткую модель дельфина, замеряя сопротивление воды. В результате он пришел к поразительному выводу: дельфины развивают такую высокую скорость, которая по расчетам выходит за пределы их мускульной силы. Получалось, что дельфины либо должны иметь неестественно высокую мощность мышц, в 7 раз большую, чем у любого млекопитающего (что невозможно), либо им удается каким-то способом уменьшать сопротивление воды. Но каким? Это необъясненное в то время явление — двигаться быстрее своих возможностей — получило название парадокса Грэя.
Гидродинамические свойства дельфина оказались совершеннее, чем в конструкциях торпед или подводных лодок, созданных человеком. Этот факт заинтересовал конструкторов подлодок и скоростных самолетов. Гидродинамик инженер Макс Крамер в США в 1958 — 1960 годах показал, что сопротивление воды, испытываемое дельфином при движении, в 10 раз меньше, чем сопротивление при движении модели того же размера и формы с обычной обшивкой. Стало очевидно, что быстроходность китообразных зависит не только от формы тела и сильной мускулатуры хвоста, но и от их «волшебной» кожи.
Гладкая, упругая кожа дельфинов привлекла внимание судостроителей, и американская фирма «Раббер компани» смоделировала гладкую обшивку для судовых корпусов. Заинтересовались дельфиньей кожей и военно-морские силы США, чтобы имитировать аналогичное каучуковое покрытие и тем самым повысить скорость подводных лодок.

Какие же приспособления в коже позволяют дельфину быть «скороходом морей» и отличным прыгуном?
Кожа дельфина очень упругая, эластичная, несмачиваемая (гидрофобная), противостоит гидравлическим ударам при большой скорости его движения. Для объяснения парадокса Грэя возникло несколько гипотез. Одна из них объясняла, «что стремительно плывущий дельфин может уменьшать вихри в потоке, обтекающем его тело, за счет передачи тепла вдоль тела от одного участка кожи к другому». По другой гипотезе, дельфин «уменьшает сопротивление воды поверхностью своей кожи и способен при увеличении скорости гасить завихрения, возникающие в пограничном слое жидкости».

 При движении в воде всякое тело испытывает сопротивление. Сила сопротивления зависит от строения потока около тела. У хорошо обтекаемых тел можно различать несколько областей. У носа или головного конца в пограничном слое (вблизи тела) обтекание упорядоченное (ламинарное) и сила трения минимальная. Затем на некотором расстоянии ламинарное обтекание нарушается и становится турбулентным: в пограничном слое возникают вихри (поперечные движения частиц жидкости), и сопротивление на этом участке резко возрастает. Еще дальше — к корме или хвосту — может произойти срыв обтекания с образованием еще больших вихрей.
При конструировании обтекаемого тела основная задача — не допустить перехода ламинарного течения в турбулентное и срыва потока. Турбулизация пограничного слоя всегда связана с первоначальным возникновением колебаний в этом слое. Гибкая кожа при известных условиях будет задерживать возникновение вихревого потока в пограничном слое.
М. Крамер пытался найти в коже дельфина ту структуру, которая способствует уменьшению сопротивления воды. В коже дельфина есть два основных слоя — эластичный наружный (эпидермис) и лежащий под ним упругий внутренний (дерма с высокими сосочками и жировым отложением). По мнению ученого, наружный слой выгибается и пружинит под давлением воды, подобно поролоновому матрацу, который прогибается в определенных местах под тяжестью тела. Бионик В. Мартека так комментирует концепцию Макса Крамера: «Там, где вода, обтекающая быстро плывущего дельфина, должна была бы образовывать маленькие вихри турбулентного течения, кожа прогибается внутрь и как бы вбирает в образовавшееся углубление потенциально опасный (в смысле турбулентности) участок водной среды. Зарождающееся в этом месте завихрение оказывается словно изолированным от других частиц воды, проносящихся мимо. Таким образом обеспечивается ламинарное обтекание дельфина».

ЧИТАЙТЕ ДАЛЕЕ

Отзывы и трекбеки отключены.

Отзывы временно отключены.

Яндекс.Метрика