книги из ГПНТБ / Зуев, Г. В. Живые ракеты

выбрасывания струи — 13,3 м/сек (около 50 км/час). Отношение v/v0 позволяет судить о степени совершен­

ства системы животное — движитель в целом, т. е. не только о пропульсивных качествах движителя, но и о фор­ ме тела как обтекателе. Безусловно, к этим данным нуж­ но относиться с большой осторожностью, поскольку в них не учитывается целый ряд существенных факторов, таких как наличие инерционных сил, изменение формы тела и ее массы при движении и т. д. '

Тем не менее настоящие расчеты дают возможность до некоторой степени критически относиться ко всем имеющимся в литературе сведениям о скорости плавания кальмаров.

Принимая во внимание концепцию академика В. Шу­ лейкина о возрастании абсолютных скоростей с ростом животного, скорость плавания крупных кальмаров (40— 55 км/час) можно считать верной. Только на основе мате­ матического анализа со строгим учетом всех факторов возможны дальнейшие исследования в этом направлении.У

У КАЖДОГО СВОИ СЕКРЕТЫ

Скорость плавания водных организмов зависит не только от степени развития движителя, его способности разви­ вать достаточно большую силу тяги. Важную роль игра­ ет и форма тела, которая должна быть идеально обтека­ емой, чтобы создавать наименьшее сопротивление.

61

Если в воздушной среде иногда можно пренебречь силами сопротивления, то в воде это исключается: ведь плотность воды в 800 раз превышает плотность воздуха. Недаром все хорошие пловцы (кальмары, рыбы, дельфи­ ны, киты) имеют вполне определенное внешнее строе­ ние — сильно вытянутое гладкое тело. Чтобы стать таки­ ми, им потребовалось не одно тысячелетие и даже не один миллион лет..

Людям давно известна замечательная способность водных животных быстро плавать. Ведь не секрет, что самые современные подводные лодки с атомными двига­ телями еще не могут соперничать с такими рыбами, как парусник или меч-рыба.

Можно привести сколько угодно примеров превосход­ ства обитателей океана, в том числе и цефалопод, из об­ ласти бионавигации, биоакустики, биооптики и т. д.

Возьмем, например, кальмаров с их поистине феноме­ нальными скоростями. Эти головоногие все еще остаются тайной для зоологов и инженеров. Чтобы разгадать «сек­ рет» кальмаров, попытались изучать особенности их стро­ ения не только в статике, но и в динамике.

Исследователи были воодушевлены открытием аме­ риканским ученым О. Крамером так называемого эффек­ та дельфина. Сущность этого биогидродинамического эффекта заключается в кожной регуляции микрострукту­ ры поверхности тела дельфина на различных режимах плавания (возникающие вихри сразу же гасятся, не успе­ вая отрываться от тела дельфина).

Открытие'О. Крамера позволило внести много прин­ ципиально нового в теорию и практику судостроения. Создание искусственного материала «ламинфло», имити­ рующего по своим свойствам кожу дельфина, и покрытие им корпусов торпед и судов дало возможность повысить

62

их скорость в полтора —два раза без увеличения мощно­ сти двигателей.

Из практики японских судостроителей известен дру­ гой пример. Был спроектирован и построен танкер, обво­ ды корпуса которого воспроизводили форму тела кита,— и в этом случае выигрыш в скорости оказался значитель­ ным. Оба примера чрезвычайно поучительны; они застав­ ляют с уважением относится к биогидродинамике.

Но вернемся к кальмарам. Форму их тела невозможно правильно понять без учета основ теории сопротивления, т. е. без знания основ гидродинамики. Поэтому прежде чем переходить к форме тела цефалопод необходимо вспомнить основные положения теории сопротивления жидкости.

Сопротивление возникает благодаря внутренней вяз­ кости жидкости, с увеличением которой оно растет. Об­ щее сопротивление жидкости движущемуся в ней телу складывается из двух основных частей — сопротивления, обусловленного разностью давлений на переднем и зад-, нем концах тела (лобовое сопротивление, или сопротив­ ление формы), и сопротивления, вызванного трением частиц жидкости о поверхность тела (сопротивление тре­

ния).

Главной причиной лобового сопротивления служат процессы, возникающие позади движущегося тела, вслед­ ствие чего форма кормовой его части оказывает большое влияние на величину сопротивления. При обтекании лю­ бого тела частицы жидкости, находящиеся вблизи его поверхности, увлекаются вслед за телом, т. е. вокруг тела образуется движущийся вместе с ним слой жидкости. Этот слой получил в гидродинамике название погранич­ ного. При малых скоростях пограничный слой движется рядом с телом, но с увеличением скорости он может от­ стать от тела, оторваться. Отделившийся от тела погра-

63

яичный слой закручивается и быстро превращается в вихрь, нарастающий, как снежная лавина, и вовлекаю­ щий в себя все новые и новые частицы окружающей жидкости. Естественно, образование и нарастание вихря сопровождается расходом энергии, а следовательно, и увеличением сопротивления. Энергия движения тратится, по сути дела, впустую на преодоление растущего сопро­ тивления, а не на прирост скорости.

Особенно благоприятные условия для отрыва погра­ ничного слоя от тела создаются в том месте, где скорость обтекания падает. Скорость потока, идущего от переднего конца тела к месту наибольшей толщины, все время на­ растает за счет удлинения пути пробега частиц воды. Постепенное снижение скорости происходит позади того места, где тело обладает наибольшей толщиной.

Итак, можно заключить, что по мере того как место, где тело имеет наибольшую толщину, отодвигается на­ зад, лобовое сопротивление должно соответственно уменьшаться. В результате испытаний моделей в аэроди­ намических трубах и гидродинамических лотках установ­ лено, что оптимальные условия обтекания наблюдаются

втех случаях, когда наибольшая толщина находится гдето посредине между передним и задним концами тела.

Сопротивление трения зависит от целого ряда причин, основной из которых, безусловно, можно считать струк­ туру поверхности. Вспомните, какие гладкие крылья у самолета или обшивка корпуса подводной лодки, и вам станет ясно, что борьба с трением представляет одну из главных проблем современного судостроения.

Физический смысл возникновения трения заключается

втом, что даже незначительная шероховатость изменяет характер потока. Частицы жидкости в пристеночном слое как бы зацепляются и приобретают вращательное движе­ ние; поток из линейного, или ламинарного (от лат. lami-

64

па — пластинка), превращается в неупорядоченный, или турбулентный (от лат. turbulentus — бурный, беспорядоч­ ный). Недаром поверхностям всех быстродЕижущихся тел и конструкций, созданных человеком, стараются при­ дать идеальную гладкость.

Сопротивление трения нельзя представить вне связи с биологическими обрастаниями подводной части корпу­ сов судов, которые до настоящего времени остаются би­ чом судостроения. Достижения гидродинамики и энерге­ тики зачастую сводятся на нет морскими организмамиобрастателями, которые особенно обильно развиваются в тропиках.

Для борьбы с обрастаниями применяются разнооб­ разные методы (механическая, физическая, химическая и биологическая защита). Однако организмы-обрастате- ли необычайно жизнеспособны; они быстро приспосабли­ ваются и продолжают расти и размножаться на поверх­ ностях, обработанных ядовитыми красителями или уль­ тразвуком.

Радикальных методов борьбы с биологическими обрастаниями, к сожалению, до сих пор не найдено. Если бы выразить в денежных единицах те убытки, которые приносят обрастания, то получилась бы солидная сум­ ма •— ведь это и дополнительный расход энергии и топ­ лива, и преждевременный износ двигателей, и снижение коэффициента их полезного действия, и более частое докование судов, и периодическая их окраска.

□

По форме тела цефалоподы необычайно разнообразны. Немецкий ученый О, Абель предложил, например, разде­ лить их на 9 основных групп, но его классификация дале­ ко не полная.

65

Чем же обусловлено это многообразие форм, можно ли определить его причины?

Оказывается, можно. Головоногие моллюски, несмот­ ря на видовую ограниченность, чрезвычайно широко рас­ пространены в местах, сильно отличающихся по своим физическим, химическим и биологическим свойствам (температура воды, соленость, насыщенность неоргани­ ческими и органическими веществами, освещенность, прозрачность, близость и характер грунта, рельеф дна,' глубина, наличие пищи и т. д.). Все это как раз и объяс­ няет разнообразие их строения, их многоликость.

Если рассматривать осьминога с точки зрения гидро­ динамики, то с уверенностью можно утверждать, что осьминог пловец неважный. Тело его короткое и мешко­ видное, с длинными тонкими «руками», поверхность кожи неровная, покрытая буграми и морщинами.

Но страдают ли осьминоги от того, что они не «гидро­ динамичны»? Попробуем разобраться.

Как правило, эти головоногие живут возлеберега в скалах или среди камней. На большие глубины они не опускаются, не совершают длительных путешествий. Мно­ гие из них всю жизнь живут в одной норе, в ней они рождаются, растут и умирают. Такие осьминоги-старо­ жилы хорошо известны рыбакам и местным жителям.

Постоянные встречи человека и осьминога нередко приводят к своеобразной дружбе между ними. Осьминог настолько привязывается к человеку, что не только без страха приближается к нему, но даже позволяет че­ сать у себя «за ухом» и трется о ногу или руку, как кош­ ка или собака. Возможно, в дальнейшем «общительный» характер осьминогов поможет человеку наладить с ними постоянные контакты, которые так необходимы для зоопсихологических и нейрофизиологических исследова­ ний.

66

Поедают осьминоги всех и все, что им попадается, но отдают предпочтение крабам, омарам и лангустам. Чтобы овладеть крабом, совсем не обязательно догонять его. Притаившись где-нибудь в щели, осьминоги терпеливо поджидают краба и неожиданно набрасываются на него. Один ядовитый укус, другой... и кр^б перестает сопротив­ ляться.

А если случится, что в скалы забредет мурена или аку­ ла? Тогда нужно спасаться и как можно скорее. Бежать? Но ведь враг весьма неплохо плавает. Значит, нужно его обмануть, а «хитрости» осьминогу не занимать. Он мол­ ниеносно бросается в ближайшую щель среди скал или на дно и моментально перекрашивается. Только что он был виден, а теперь его уже нет. На черном фоне осьминог темнеет, на светлом — светлеет.

У осьминогов есть еще одно поистине чудесное оружие защиты — подвижность кожи. Им ничего не стоит со­ брать ее в морщины, разгладить, отглянцевать, покрыться бородавками. Бородавчатые осьминога известны всем ис­ следователям. Чудесные превращения кожи надежно мас­ кируют осьминогов на любом грунте, будь то песок, ил, камни или водоросли.

Английский зоолог Г. Джилпатрик описывает мета­ морфозы, которые на его глазах происходили с осьмино­ гом в аквариуме. Не найдя никакого убежища, он прижи­ мался ко дну, на котором в беспорядке были разбросаны куски ржавого железа. Уже через несколько минут ось­ минога невозможно было отличить от этих кусков, на­ столько совершенно он имитировал их форму, цвет и структуру поверхности. Поистине феноменальное пре­ вращение.

Так нужна ли осьминогам гидродинамичность? После всего рассказанного на этот вопрос можно с уверенностью ответить отрицательно. Согласитесь, что с такими «спо­

собностями» совершенно бессмысленно в случае опаснос­ ти бежать куда-то в море подальше от дома.

Однако у донных осьминогов есть и пелагические, на­ селяющие толщу воды родственники, и причем — самые близкие. Кто же они и как они устроены? В чем их отли­ чие?

Прежде всего, пелагические осьминоги имеют пару плавников, правда, не таких, как у кальмаров, но тем не менее они не дадут им утонуть и погибнуть.

Все ткани у плавающих осьминогов сильно пропитыва­ ются водой и обесцвечиваются, поэтому их легко спутать

смедузами. Столь большое сходство совсем неслучайно.

Содной стороны, жгучие медузы достаточно хорошо за­ рекомендовали себя как существа, с которыми лучше не связываться, с другой — оводнение, «облегчение» тканей

создает дополнительную плавучесть. Кроме плавников, у пелагических осьминогов сильно разрастается зонтик, благодаря чему они могут «путешествовать» в океане, пе­ реносимые волнами и течениями.

Проблема парения в толще воды иначе решена у нау­ тилусов. Их мягкое тело, как известно, одето сверху тонкой известковой раковиной, разделенной на множест­ во поперечных камер. Смесь жидкости и газа внутри этих камер не только компенсирует вес тяжелой раковины (удельный вес кальцита — материала, из которого со­ стоит раковина, равен 2,65, а морской воды не превышает 1,03), но и создает положительную плавучесть, благодаря которой наутилусы парят, не опускаясь на дно.

Любопытную группу представляют каракатицы, или, как их еще называют, сепии. Подобно осьминогам карака­ тицы в основном обитают в придонных слоях воды. От всех остальных цефалопод они отличаются уплощенной формой тела: если смотреть на каракатицу сбоку, она от­ четливо напоминает «ныряющее блюдце» Ж.-И. Кусто.

68

Так умеют «переодеваться» каракатицы.

Вполне возможно, что каракатица в какой-то степени «причастна» к созданию этого замечательного аппарата для исследования морских глубин.

Для гидродинамиков форма тела каракатицы, по-ви­ димому, не представляет особого интереса, но зато инженерыгмаскировщики наверняка могут кое-чему научиться у сепии. Плавают каракатицы не совсем хорошо, но ма­ скируются' великолепно на самых, казалось бы,-неподхо-. дящих для этого местах. На песке или илистом грунте она бурая или серая; ее окраска сливается с цветом дна. А среди густых зарослрй водорослей каракатицу не

узнать: светлые и темные полосы, чередуясь, образуют нечто похожее на «одежду» зебры. Аналогия настоль­ ко сильная, что этот тип расчленяющей окраски получил даже название «зеброидного». Зеброидная окраска более надежно скрывает каракатицу среди зарослей, нежели однотонная: ведь давно установлено, что чере­ дование темных и светлых полос создает со стороны впе­ чатление бесформенности, поэтому рассмотреть животное трудно,

Применение расчленяющей ркраски, заимствованной у животных, к военным объектам и сооружениям велико­ лепно зарекомендовало себя в период войны: крыши зда­ ний в лесной местности, покрытые светлыми и темными полосами, оказывались менее заметными с воздуха, чем окрашенные в серо-зеленые тона. В некоторых странах даже военные самолеты окрашивают в разные цвета, что, по-видимому, обеспечивает им безопасность при базиро­ вании на лесных аэродромах.

Эффект маскировки каракатиц на дне усиливается за счет боковых плавников, которые являются не только дви­ жителем и рулями, но и своеобразным «маскхалатом». Опоясывая все тело от головы до заднего конца мантии, плавники в расплавленном положении свободным краем опираются на грунт. В результате демаскирующая жи­ вотное тень полностью исчезает.

А «чернильная» жидкость, выбрасываемая каракати­ цами в момент опасности и ослепляющая преследователя, суживает круг их врагов.

Очень интересную группу цефалопод составляют каль­ мары. Какие только термины не употребляют исследова­ тели в отношении их формы тела — стреловидная, торпе­ довидная, веретеновидная, сигаровидная и т. д. Инжене­ ры-гидродинамики уже давно приглядываются к кальма­ рам, пытаются оценить их мореходные качества на основе

70