Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Неужели же ученые бессильны вырвать корабль из плена воды, победить в единоборстве со стихией, оказавшейся самой неподатливой? Нет, не бессильны!

Изучив особенности строения многих обитателей морей и океанов, обеспечивающие им высокие гидродинамические качества, человек может положить в основу конструкции различных плавающих аппаратов новые принципы. Сошлемся на факты.

После длительных наблюдений и исследований японский ученый профессор Тако Инуи сначала предположил, а затем опытным путем на специально изготовленной модели пассажирского парохода "Куренаи Мару" доказал, что грушеобразная форма головы кита более приспособлена к перемещению в воде, нежели ножевидная форма носовой части современных судов. Этим открытием не замедлили воспользоваться кораблестроители. Они построили океанское судно, напоминающее по своей форме кита. Первые же испытания показали, что по сравнению с обычными судами китообразный корабль весьма экономичен. Мощность его двигателей на 25% меньше, а скорость и грузоподъемность те же!

А вот еще один не менее поучительный пример. Одна из американских подводных лодок носит название "Скипджек". Форма корпуса подводной лодки в точности такая же, как у тунца (рис. 6). Конструкторам удалось добиться хорошей обтекаемости корпуса лодки и значительно повысить ее скорость, а главное — создать очень поворотливое судно. (Поворотливостью называют способность судна к быстрому изменению направления. Это очень важное свойство: ведь большому кораблю для разворота требуется описать полуокружность с радиусом по крайней мере в 4 — 5 длин корпуса.)

Рис. 6. Американская подводная лодка 'Скипджек'. Форма корпуса подводной лодки точно такая же, как и у быстроходной рыбы тунца

Очень часто мы говорим: "плавает, как рыба". Однако это определение весьма неточно, потому что рыбы плавают по-разному. Угри и миноги, например, большой скорости не развивают. Лучшими пловцами среди рыб считаются жители открытых морских просторов — лосось, акула, тунец, скумбрия. Лосось плывет со скоростью 5 м/сек (18 км/час), скорость акул равна 36 — 42 км/час. Не уступают им в скорости и некоторые морские млекопитающие. Кит, в частности, свободно плывет со скоростью 40 км/час. Но все эти рекорды побивает рыба-меч. С завидной легкостью она может развивать скорость, достигающую 130 км/час.

Откуда у рыбы такие силы? Или, быть может, здесь дело не столько в силе, сколько в особом умении?

Эту загадку пытался разгадать не один ученый в течение последних 40 — 50 лет. Были проделаны сотни экспериментов, но проверить, наглядно зафиксировать механизм движения рыбы в воде, установить характер образующихся водяных потоков, вычислить сопротивление, испытываемое движущейся в воде рыбой, силу тяги и мощность, развиваемые ею, так никому и не удалось. Общепризнанным до последнего времени было лишь одно — рыбы передвигаются под водой за счет движений хвоста и отчасти плавников.

Рис. 7. Завихрения жидкости, вызываемые перемещением в ней рыбы

И вот совсем недавно секрет скоростного перемещения рыб раскрылся самым неожиданным образом. По сообщению журнала "Мэшин Дезайн" был поставлен такой опыт. Рыб пустили в аквариум, наполненный не водой, а молоком. Молоко позволило проследить движения рыбы, возмущения жидкости, вызываемые перемещением в ней рыбы (рис. 7). Было установлено, что при каждом ударе хвоста образуется некоторое возмущение жидкости у жабр, а никак не у хвоста рыбы, как думали раньше. Но это еще не самое главное. Оказывается, что основная "движущая сила" возникает при колебательных движениях туловища рыбы. Животное скользит вдоль пришедших в движение слоев жидкости, и они на глазах превращаются в маленькие "водовороты" — завихрения с вертикальной осью вращения. Когда рыба скользит мимо этих возмущений, они закручиваются еще сильнее и увеличиваются в размере. Когда хвост рыбы по касательной проносится по завихрению, рыба как бы вбирает в себя всю накопившуюся там кинетическую энергию вращения. Создается впечатление, будто рыба плывет, отталкиваясь от водоворотов, что завихрения как бы выталкивают ее вперед. Правильность этих предположений была проверена еще на одном простом, но весьма остроумном опыте. Известно, что, если пойманную в реке рыбу бросить на берег, она будет подпрыгивать и биться о землю. Но вот вбили в доску два ряда гвоздей на одинаковом расстоянии друг от друга и положили рыбу между ними (рис. 8). И она "поплыла" посуху(!), отталкиваясь корпусом и хвостом от гвоздей, словно от водоворотов. Сходство прямо-таки поразительное!

Рис. 8. Форель 'плывет' по доске, в которую в определенном порядке вбиты гвозди. Телом и хвостом рыба упирается в гвозди совершенно так же, как она 'опирается' в воде на завихрения

Ученые полагают, что установленные ими факты могут оказаться весьма полезными при конструировании кораблей. Уж очень заманчива перспектива создания судов, особенно подводных, способных двигаться в воде с легкостью рыбы. Эта проблема сейчас волнует не только кораблестроителей и гидродинамиков, но и биологов, биофизиков и биохимиков. Эта сложная и интересная задача увлекла и математиков.

Однако многие специалисты утверждают, что подводный аппарат, использующий принцип плавания рыб, не сможет развивать скорость, большую 30 узлов [1] Узел — мера скорости движения судов. Он равен 1 морской миле в час, т. е. 1,852 км/час. . Опыты показали, что при любой попытке плыть быстрее коэффициент полезного действия плавательного аппарата начинает катастрофически падать.

Как же быть? Выход из тупика подсказал дельфин.

Вы, вероятно, не раз, находясь на отдыхе у моря, видели, как быстро мчатся в волнах стаи дельфинов, развивая порой скорость до 30 узлов, т. е. примерно до 56 км/час. Долгое время ученые и инженеры не могли понять, каким образом дельфинам удается развивать столь большую скорость и без видимого усилия сопровождать быстроходные корабли в течение многих часов и даже дней, ни на шаг не отставая от них. Английский исследователь Грей установил, что для достижения скорости 30 узлов мышцы дельфинов должны быть примерно в 7 — 10 раз мощнее, чем на самом деле... За тщательные экспериментальные и теоретические исследования гидродинамического секрета дельфина принялись советские ученые под руководством академика В. В. Шулейкина. Еще в 1936 г. В. В. Шулейкин, В. С. Лукьянова и И. И. Стей на заседании Отделения математических наук Академии наук СССР сделали доклад о своих изысканиях, проводившихся в специальной башне. Ученые вывели формулы движения одиночного животного и целой стаи и установили, что при движении тело дельфина испытывает меньшее сопротивление со стороны воды, чем тело других обитателей моря. Они провели буксировочные испытания в бассейне и замерили сопротивление воды движению на модели. И тогда ученые столкнулись с почти необъяснимым законами механики фактом: точно воспроизведенная по весу и форме тела модель дельфина, которой сообщалась равная тяга, передвигалась по воде гораздо медленнее, чем живой дельфин.