Изот Литинецкий - На пути к бионике

Так родилась первая из великих тайн дельфина и греевский комментарий к ней: "Природа сконструировала дельфина много совершенней и лучше, чем человек подводную лодку или торпеду". Эта загадка кудесницы-природы, длительное время остававшаяся неразгаданной, впоследствии получила название "парадокс Грея". Он просуществовал около 25 лет. За это время предпринимались десятки и сотни попыток расшифровать загадку "морских скороходов". Дельфинов взвешивали, обмеряли, под микроскопом рассматривали их ткани, фотографировали и в фас, и в профиль. Производились расчеты. И вновь, в который раз, они показывали, что сопротивление движению дельфина сведено к такому минимальному значению, которое для нас на практике пока недостижимо. Оставалось одно: предположить, что дельфины обладают какими-то приспособлениями, механизмами, которые позволяют им при плавании уменьшать сопротивление воды, сохранять в пограничном слое ламинарное* течение. Но одно дело - предположить, а другое дело - доказать, что дельфины действительно предотвращают возникновение турбулентности** в обтекающем их потоке, экономят таким образом немало энергии и тем самым достигают высокой быстроходности. И такое доказательство в конце концов было найдено. В 1960 году специалист-ракетчик М. Крамер объявил: тайны больше по существует...

* ( Ламинарное течение - течение без завихрений, все струи параллельны. )

* ( Турбулентное течение - течение с завихрениями. Оно создает дополнительное сопротивление. )

Почему же вдруг ракетчик заинтересовался "парадоксом Грея" и взялся за исследование особенностей движения дельфинов в воде? Что общего между дельфином и ракетой?

Оказывается, при скорости ракеты в несколько километров в секунду воздух нижних слоев атмосферы оказывает почти такое же сопротивление, как вода при обычных скоростях движения. А нельзя ли секрет скорости дельфина использовать для ракет?

К этой мысли, как любит рассказывать Макс Крамер, он пришел после своего путешествия из Европы в Америку через Атлантический океан, во время которого он увидел однажды, как дельфины легко и стремительно выпрыгивали из воды вблизи быстроходного лайнера. Разумеется, в это трудно поверить. В прошлом сподвижник печальной славы Вернера Брауна - создателя "летающей смерти" - ракеты ФАУ-2, М. Крамер в течение многих лет занимался аналогичными проблемами. После окончания второй мировой войны он нашел убежище в США и начал работать в области космического ракетостроения. В новых условиях, при новых задачах Крамер, естественно, не мог не заинтересоваться "парадоксом Грея". Ведь законы гидродинамики и аэродинамики имеют много общего, и поэтому изучение способов снижения сопротивления окружающей среды высокоскоростными обитателями морей и океанов представляют большой интерес не только для судостроителей, но и для авиа- и ракетостроителей. А вдруг "парадокс Грея" станет "золотой жилой" для творцов ракет, ищущих новых способов получения высоких скоростей?

Было проведено громадное число опытов. В бассейнах буксировали созданную из металла модель дельфина с точно воспроизведенными пропорциями тела животного; в гидродинамической трубе производили "продувку" дельфина и пристально наблюдали за тем, как окрашенные чернилами капельки воды разбиваются на сотни мельчайших нитей и плавно огибают тело животного; под микроскопом тщательно изучали кожу дельфина. Обобщив результаты собственных экспериментов и исследований, а также материалы, собранные учеными разных стран, Крамер заявил, что быстроходность дельфина обеспечивается не только идеальной формой его тела и сильной мускулатурой хвоста, но и особой структурой кожи животного. Последнюю Крамер поставил на первое место, считая, что вся тайна "антитурбулентности" дельфина заключается в структуре его кожи.

Детальный анализ микроскопического разреза кожи дельфина показал, что структура ее очень тонкая и сложная. Эпидермис состоит из двух слоев: тонкого наружного и лежащего под ним росткового, или шиловидного. В ячейки росткового слоя снизу по одному входят упругие сосочки дермы, напоминающие зубцы резиновой щетки для чистки замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы сильнее развиты в тех местах, где ощущается большее давление воды при поступательном движении: в лобной части головы, на передних краях плавников и т. д. Ниже сосочков дермы располагается густое сплетение коллагеновых и эластиновых волокон, пространство между которыми заполнено жиром. Такое строение кожного покрова не только защищает организм дельфина от потерь тепла и повышает силу сцепления эпидермиса с дермой, но и действует как превосходный демпфер. 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 как бы изолированным от других частиц воды, проносящихся мимо. Таким образом обеспечивается гладкое, или ламинарное, обтекание дельфина. Этот принцип ламинаризации обтекающего потока воды ученые назвали "стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением".

Рис. 17. Разрез дельфиньей кожи (схема): 1 - эпидермис; 2 - дерма; 3 - жировой пласт; 4 - подкожная мускулатура; 5 - верхний роговой слой эпидермиса; 6 - ростковый слой эпидермиса; 7 - ячейки росткового слоя; 8 - шиловидные сосочки дермы; 9 - подсосочковый слой дермы; 10 - пучки коллагеновых волокон; 11 - пучки эластиновых волокон; 12 - жировые клетки (по А. Г. Томилину)

Рис. 18. Расположение гребней под тонким роговым слоем: вверху - у обыкновенного дельфина, внизу - у морской свиньи (по П. Пурвесу)

Вот что пишет по этому поводу крупнейший советский специалист по китообразным, доктор биологических наук, профессор А. Г. Томилин: "В 1963 г. английский зоолог Пурвес обратил внимание на расположение в коже китообразных дермальных гребешков, направленных вдоль струй потока. Для их изучения с поверхности кожи обыкновенного дельфина осторожно удаляли тонкую кожицу рогового слоя и рассматривали гребни под бинокулярной лупой. Оказалось, что на боках тела (кроме их нижней трети) гребни направлены косо вверх и назад под углом 309 к продольной оси животного. На хвостовом стебле гребни были такой же ориентации, что и на боках тела, а на грудных и спинном плавниках располагались горизонтально. Ученые предполагают, что расположение дермальных гребней в коже китообразных способствует ламинаризации потока. У тихоходных морских свиней гребни располагаются иначе, чем у быстроходных дельфинов"*.