Применение механизмов плавучести гидробионтов на практике.
В экологических исследованиях величина плавучести может прямо указывать на то, в какой среде обитает данный вид организмов, поскольку разные жизненные условия обусловливают различные значения плавучести.
Исследования планктонных организмов не просто интересны, но и имеют практические цели. Например, это может помочь в промысле перспективных видов (криль, креветка). В частности, сведения о плавучести организмов необходимы для определения биомассы и численности планктона и рыб гидроакустическими комплексами. На данный момент, это - один из наиболее распространенных и эффективных методов прямой оценки биологических ресурсов океана.
Но не только гидробионты, но и техника зависит от такой характеристики как плавучесть. Для разработки технических устройств человечество часто обращается к механизмам, придуманным самой природой. Наука о методах создания технических систем, характеристики которых приближаются к характеристикам живых организмов, называется бионикой. Раздел бионики, изучающий возможности использования принципов структуры и функционирования в условиях гидросферы биологических систем и их элементов с целью совершенствования существующих и создания новых технологических систем и устройств в судостроении, судовождении, судовой автоматике, океанологической аппаратуре, подводной робототехнике.
В освоении океана человеку необходимы суда с лучшими характеристиками, чем прежние. В настоящее время делается много разработок и проектов, направленных на увеличение скорости судов.
Механизмы изменения скорости движения гидробионтов:
Движение путем изгибания тела:
Наибольшие скорости движения достигаются изгибанием заднего отдела тела в горизонтальной плоскости. Например, меч-рыба способна развивать скорость до 130 км/ч.
Весьма эффективно плавание реактивным способом.
Среди простейших оно свойственно, например, жгутиковому и инфузории , тело которых имеет колоколообразную форму и при сокращении выбрасывает наполняющую его воду.
2. Для обеспечения быстроты движения у гидробионтов вырабатывается обтекаемая форма тела;
3. Высокой скорости движения способствуют выделение слизи, снижающее трение (рыбы, головоногие моллюски);
Специфическое строение кожных покровов – сопротивление воды телудвижущегося дельфина в несколько раз меньше, чем равновеликой модели такой же формы.
Тело плавающих животных, имеющих отрицательную плавучесть(предмет тонет), как правило, более выпукло сверху, а у организмов с положительной плавучестью (предмет плавает на поверхности) – снизу. В результате во время движения действует, дополнительная подъемная или соответственно заглубляющая сила, благодаря чему активно передвигающиеся животные почти не тратят энергии на поддержание своего положения в толще воды.
6. Активное передвижение в воде может также осуществляться за счет прыжков. К таким движениям способны многие коловратки, ракообразные, личинки насекомых, рыбы, млекопитающие. Во время прыжка скорость движения во много раз выше, чем при плавании.
К полету способны многие головоногие моллюски и рыбы. Кальмар bartrami длиной 30–40 см, разогнавшись в воде, может пролетать над над морем более 50 м со скоростью около 50 км/ч. К такому полету он прибегает, спасаясь от хищников. Так же спасаются от них летучие рыбы обитающие в тропических и субтропических морях. Они разгоняются в воде до скорости 30 км/ч, резко увеличивают ее на поверхности при отрыве от воды – до 60–65 км/ч и пролетают 100–200 м, а иногда и до 400 м.
7. Одной из форм активного перемещения у водных организмов является и скольжение. Среди пелагических организмов оно наблюдается у мелких форм, например у дитомовых водорослей, и обеспечивается контактом движущейся цитоплазмы с водой.
Проекты по увеличению скорости морского транспорта.
Сегодня основная проблема увеличения быстроходности судов состоит в преодолении волнового сопротивления на поверхности водной среды. Оно является следствием того, что суда находятся на границе раздела двух сред – воздушной и водной. Все предыдущие изменения, вносимые в типовую конструкцию судов, были связаны с улучшением гидродинамических свойств корпуса и проводились путём изменения формы носовой части, да и всего в целом. Так появился бульбообразный нос, помогающий против замедляющего действия бурунов. Также, японскими инженерами было доказано, что китообразная форма носа судна (при прочих равных условиях) может увеличить скорость на 8-15%.
Но это максимум. Для достижения больших результатов нужно перенести судно в одну из двух сред: либо полностью погрузить под воду, либо использовать воздушную подушку, чтобы поднять его из воды. У обеих технологий есть свои минусы:
В первом случае ощутимо присутствует сила вязкого трения. Любое увеличение размеров судно связано с увеличением силы сопротивления движению.
Во втором случае нужно затрачивать много энергии (то есть, требуются большие установки), но для большего результата надо максимально облегчить судно (эти два требования противоречат друг другу, и приходится искать компромисс).
Всё-таки, второй вариант менее эффективен, чем первый. Поэтому сейчас по всему миру активно рассматриваются вопросы о создании быстроходных подводных судов. Для этого учёные обратили внимание на природные гидродинамические характеристики морских млекопитающих (в частности, дельфинов).
Было установлено, что в момент достижения дельфином критической скорости его кожа собирается в складки, которые сбивают вихревые потоки, возникающие вокруг тела. Это помогает избежать лишних затрат энергии на преодоление потоков. Скорость увеличивается. Также, на их коже имеется слой специальной смазки, обладающей водоотталкивающим действием. Дело в том, что гидрофобность способствует образованию в слое воды, находящемся близко 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.