Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Рис. 9. Движение в воде обтекаемого тела с твердой оболочкой и движение дельфина

Позднее было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) течение, не переходящее в вихревое (турбулентное), а плывущая подводная лодка, сходная по форме с дельфином, вызывает высокую турбулентность (рис. 9). На преодоление сопротивления воды при наличии турбулентности тратится около 9/ 10движущей силы лодки.

Рис. 10. 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 В. А. Соколову)

В чем же все-таки секрет необычайно высокой скорости движения дельфина? Оказывается, вся тайна "антитурбулентности" этого животного заключена в структуре его кожи (рис. 10). Эпидермис кожи очень эластичен (по своим свойствам он напоминает лучшие сорта автомобильной резины) и, как показали микроскопические исследования, состоит из двух слоев: тонкого наружного и лежащего под ним росткового, или шиповидного. 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, который вносит затухание в поток и предотвращает развитие турбулентности и срыв потока. Демпфирование достигается тем, что весьма эластичные жировые клетки подкожного слоя способны менять под давлением свою форму и затем восстанавливать ее. Кроме того, отличная буферность кожи достигается упругостью коллагеновых и эластиновых волокон.

Благодаря всем этим свойствам кожи поток, обтекающий тело дельфина, даже при большой скорости движения остается ламинарным, завихрения в нем не возникают. Этот принцип ламинаризации обтекающего потока воды ученые назвали "стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением".

Рис. 11. Расположение гребней под тонким роговым слоем у обыкновенного дельфина (а) и у морской свиньи (6) (по П. Пурвесу)

Вот что пишет по этому поводу 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 в 30° к продольной оси тела животного (рис. 11). На хвостовом стебле гребни были той 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".

Рис. 12. В момент достижения дельфином критической скорости его кожа собирается в складки, которые сбивают вихревые потоки, возникающие вокруг движущегося тела (по А. Г. Томилину)

Ученые установили также, что на упругой коже китообразных и, в частности, дельфинов постоянно имеется тонкий слой специальной смазки, вырабатываемой особыми железами. Благодаря этому кожа дельфинов обладает гидрофобным, водоотталкивающим, свойством. Важность этого открытия для ряда областей инженерной практики и прежде всего для водного транспорта трудно переоценить. Дело в том, что гидрофобность способствует образованию в слое воды, ближайшем к поверхности движущегося тела, шарообразных структур из отдельных совокупностей молекул; поэтому гидрофобное тело при перемещении в воде как бы катится по шарикоподшипникам. А, как известно, трение качения значительно меньше трения скольжения.

Китообразные владеют еще одним чрезвычайно интересным способом уменьшения трения при своем движении. Речь идет о так называемом двигательном механизме кожи этих животных. Он вступает в действие тогда, когда дельфины достигают максимальной скорости и возникающие при этом вихревые потоки уже нельзя погасить ни антитурбулентными (демпферными), ни гидрофобными свойствами кожи. Именно в этот критический момент начинается волновое движение самого кожного покрова тела животного (рис. 12). Эти волнообразные складки кожи, пробегающие по туловищу дельфина (они были сфотографированы Ф. Эссапьяном во флоридском океанариуме), гасят вихри, возникающие при высоких скоростях, уменьшают силу трения в срединной и хвостовой частях тела животного и дают ему возможность легко мчаться даже в тесном стаде, в котором, казалось бы, вихревые потоки вокруг множества близко плывущих особей должны сделать невозможным стремительное передвижение всего стада.

Что же можно и что уже удалось позаимствовать инженерам из "конструкции" кожного покрова китообразных, чтобы достигнуть в судостроении "дельфиньего совершенства"?

В 1960 г. природный кожный покров дельфина послужил работающему в США немецкому инженеру М. Крамеру образцом для создания опытных демпфирующих покрытий твердых тел в целях снижения гидродинамического сопротивления трения. Первая мягкая оболочка — "дельфинья кожа", получившая название "ламинфло" (от слов "laminar flow" — ламинарное течение), была изготовлена сначала из двух, а затем из трех слоев резины общей толщиной 2,5 мм. Гладкий наружный слой (0,5 мм) имитировал эпидермис кожи дельфина; средний, эластичный, с гибкими стерженьками и демпфирующей жидкостью (1,5 мм) был аналогичен дерме с ее коллагеновой и жировой тканями, а нижний (0,5 мм) играл роль опорной пластины. Демпфирующая жидкость при давлении сверху могла перемещаться в пространствах между палочками-стерженьками: она играла роль демпфера — гасителя вихрей в пограничном слое воды, ближайшем к корпусу модели (рис. 13).