Изот Литинецкий - На пути к бионике

* ( А. Г. Томилин. История слепого кашалота. М., "Наука", 1965, стр. 156-157. )

Раскрыв секрет "парадокса Грея", Крамер начал работать над созданием искусственной дельфиньей кожи в надежде одеть в нее корабли голубых дорог. По замыслу Крамера, мягкая резиновая диафрагма, будучи чувствительной к колебаниям давления, должна была воспринимать турбулентные пульсации в пограничном слое и передавать их вязкой демпфирующей жидкости, заполняющей промежутки в конструкции покрытия. Таким образом создавались необходимые условия для поглощения энергии турбулентных пульсаций за счет упругих свойств резины и вязкости жидкости, то есть для ламинаризации пограничного слоя.

Первая экспериментальная мягкая оболочка - искусственная дельфинья кожа, получившая название "ламинфло" (от слов ламинарное течение), была изготовлена из двух, а затем из трех слоев резины общей толщиной 2,5 миллиметра. Гладкий наружный слой (толщиной 0,5 миллиметра) имитировал эпидермис дельфина, средний, эластичный, с гибкими стерженьками и демпфирующей жидкостью (толщиной 1,5 миллиметра) был аналогичен дерме с ее коллагеновой и жировой тканями, а нижний (0,5 миллиметра) играл роль опорной пластины. Демпфирующая жидкость при давлении сверху могла перемещаться в пространствах между стерженьками: она играла роль демпфера - гасителя вихрей в слое воды, ближайшем к корпусу модели.

Искусственную дельфинью кожу испытывали на моделях, которые буксировали по заливу вблизи Лос-Анджелеса. Три модели были покрыты разными образцами "ламинфло", несколько различавшимися по структуре. Для сравнения в качестве эталона использовали четвертую модель, без покрытия. Модели буксировал мощный катер, специальные приборы измеряли сопротивление для каждой модели, и их показания передавались по радио на катер. Предположения Крамера подтвердились: сопротивление воды для всех трех моделей, покрытых искусственной дельфиньей кожей, было гораздо меньше, чем для модели без покрытия, турбулентное течение заменилось ламинарным. У небольшой торпеды, "укутанной" в мягкую резиновую оболочку, сопротивление трению о воду снизилось почти наполовину! При испытании небольшого катера было обнаружено, что обшивка "ламинфло" дает наибольший эффект при скорости движения судна около 40-50 километров в час, то есть близкой к предполагаемой максимальной скорости передвижения дельфина.

Разработки и эксперименты, начатые Крамером, продолжали ученые разных стран. Изменялись соотношения элементов покрытий: толщина слоев, размеры и расположение стерженьков, вязкость промежуточной жидкости и т. д. Результаты многочисленных испытаний искусственной дельфиньей кожи на торпедах, катерах вновь подтвердили возможность снизить сопротивление воды на 50-60%, но для больших судов подобного эффекта достичь не удалось.

Опять секрет? Многие исследователи, которым уже не раз мерещились во сне и наяву быстроходные белые лайнеры, бороздящие безбрежные просторы морей и океанов, после этой неудачи хотели было прекратить дальнейшие работы по усовершенствованию "дельфиньей кожи". Но вскоре было сделано новое сенсационное открытие. Киноаппарат аквалангиста запечатлел кульминационный момент охоты дельфина. На экране хорошо было видно, как он несется на громадной скорости и вода, кажется, с ревом смыкается за ним. Но вот невидаль: на теле животного отчетливо проступили поперечные волнообразные складки!

Первооткрывателем этого явления был доктор Ф. Эссапьян, который еще в 1955 году сфотографировал эти складки на теле дельфинов во флоридском океанариуме. Тогда он высказал предположение, что эти волнообразные складки кожи возникают на теле дельфинов, когда они достигают максимальной скорости передвижения и образующиеся при этом вихревые потоки уже нельзя погасить антитурбулентными демпферными свойствами кожи. Именно в этот критический момент начинается волновое движение самого кожного покрова тела Животного, которое и гасит вихри, возникающие при высоких скоростях, и дает дельфину возможность легко мчаться даже в тесном стаде, где, казалось бы, вихревые потоки вокруг множества близко плывущих особей должны сделать невозможным стремительное передвижение всего стада. В середине 50-х годов об этой гипотезе ученого знал лишь небольшой круг специалистов, и вскоре о ней забыли на несколько лет. "Скоростные складки", как их назвал Эссапьян, выглядели на идеально гладком теле дельфина так же нелепо, как, скажем, рифленое днище на гоночной лодке или обшивка из плиссированного металла на скоростном автомобиле. Что, кроме увеличения сопротивления и, следовательно, потери скорости, могло это дать? И дельфины вновь, уже в который раз, попали на "досмотр" к биологам, в лабораторию биоников, начавших свои исследования до смешного прозаично - с проверки достоверности уже много лет известного анатомического строения быстроходных обитателей моря. И вот тогда-то и наступило ожидаемое. Советские исследователи подтвердили гипотезу Эссапьяна: у дельфинов имеется специальный так называемый двигательный механизм, который образует на коже "бегущие волны" (они бегут по телу к хвосту), гасящие вихри, стабилизирующие ламинарное обтекание, уменьшающие трение и тем самым обеспечивающие быстрое плавание животных. Окончательно уверовав, вопреки здравому смыслу, наперекор логике и мнениям кораблестроителей, что "бегущая волна" и есть тот тайный двигатель, который дает дельфинам возможность при минимальных затратах энергии фантастически быстро плавать, биологи обратились за помощью к математикам и кибернетикам. Ведь сто сорок лет инженеры пользовались уравнениями движения вязкой жидкости, и ни разу цифры не противоречили жизни, математика - практике. Только один дельфин, сам не зная того, не подходил под эти каноны, не желал подчиняться законам гидродинамики. Теперь подтвердить правильность гипотезы биологов предстояло математикам. За эту задачу и взялись советские ученые.

Рис. 19. Схема искусственной дельфиньей кожи - 'ламинфло': А - боковой разрез; Б - разрез по линии аб, 1 - верхняя бесшовная оболочка; 2 - средний слой - эластичная диафрагма с гибкими стерженьками; 3 - нижняя бесшовная оболочка; 4 - корпус модели; 5 - пространство менаду стерженьками, заполненное жидкостью; 6 - гибкие стерженьки среднего слоя (по М. Крамеру)

Что же побудило математиков взяться за проверку гипотезы биологов? Прежде всего, ее оригинальность, противоречие обыденному.

Через несколько сот часов работы ЭВМ выдала многометровую бумажную ленту с решением. Ответ оказался столь же простым, как и само изобретение природы. Любая неровность на теле скользящего в воде предмета неизбежно замедлит его движение. Исключение составляет лишь специфическая "бегущая волна" - идеальный случай, наблюдаемый у дельфина, когда мышцы животного как бы настраивают кожу на оптимальный режим. И складки, по логике вещей сбивающие ход, тогда вызывают совсем противоположный результат: "пробегая" по телу дельфина в такт с возникшими завихрениями воды, они не позволяют им перерасти в беспорядочный вихрь, уменьшающий скорость плавания.