Слижевский Гидробионика в судостроении

частотным и с большой амплитудой колебаниям тела. Аналогичные различия для хрящевидных – белой акулы и акулы-мако.

У скоростных рыб хорошо обтекаемы все выступающие части: глаза имеют обтекатели; плавники сравнительно малы, а некоторые из них, например спинные и боковые для тунца, заваливаются в специальные углубления в теле гидробионта; поверхность наджаберных крышек гладкая, а выброс воды при движении синхронизирован с колебаниями хвостового плавника.

Наличие элементов механического и биологического управления пограничным слоем, формируемого на поверхности гидробионта. У тунцовых рыб, обладающих относительно коротким телом, при их движении возникает отрыв пограничного слоя. Наличие "корсета" из более грубой кожи и чешуи на гладкой поверхности тела перед наиболее его широкой частью изменяет подобно кольцу Прандтля режим обтекания и тем самым смещает точку пограничного слоя вниз по потоку, вследствие чего уменьшается сопротивление движению гидробионта. Выделение слизистого вещества в область погранич- ного слоя, например, у меч-рыбы также приводит к существенному снижению сопротивления.

Вертикальный хвостовой плавник – двухлопастной переменной стреловидности с большим относительным удлинением λ = 8 (для китообразных λ = 6), жесткий, без мускулатуры, выступает за пределы поверхности тела и совершает высокочастотные колебания.

Кроме скоростных рыб – тунцовых и акуловых, следует особо выделить группу крупных морских хищных ксифиоидных рыб, которые отличаются своими выступающими впереди головы костными рострумами. Это скоростные меч-рыба, копьеносцы, марлины и парусники.

Наибольшей кратковременной скоростью плавания (до 30…

...35 м/с) обладает меч-рыба (рис.1.4). Она имеет общую длину до 3 м, из которых 1/3 занимает клиновидный уплощенный меч.

Максимальная скорость движения самой скоростной меч-рыбы впервые была определена А.Н.Крыловым по силе ее удара в борт судна. Известен факт, когда меч-рыба пробила медное покрытие бортовой обшивки, дубовую обшивку и шпангоут, толщиной 30 см, в котором застрял сломанный ее меч.

Экспериментальные исследования, проведенные в аэродинами- ческих и кавитационных трубах, а также в опытовых бассейнах пласт-

массовой модели меч-рыбы длиной 1 м при различных скоростях и глубинах погружения, позволили обнаружить преимущество формы тела меч-рыбы по сравнению с другими скоростными рыбами. Применительно к сопротивлению твердых тел можно сделать вывод, что тела с обводами меч-рыбы имеют преимущества по сравнению с телами вращения традиционных обводов – заметно ниже сопротивление трения в погруженном состоянии и сравнительно мало волновое сопротивление при движении вблизи свободной поверхности. В этом смысле меч-рыба может рассматриваться в качестве предельно скоростного гидробионта.

Рис.1.4. Формы тела и плавников меч-рыбы

Помимо формы тела, необходимыми предпосылками феноменальной скорости меч рыбы являются:

наличие мощного двигательно-движительного комплекса. Мышцы составляют 67 % всей массы тела, что считается биологически предельным. Даже по сравнению со скоростными дельфином-бело- бочкой и акулой-мако энерговооруженность меч-рыбы в два раза выше. А у подавляющего большинства рыб мышцы составляют 30…45 %;

наличие мощного секреторного аппарата, позволяющего выра-

щих высокочастотным и жестким плавником, удлинение больше, чем у дельфинов, имеющих малочастотные и достаточно гибкие хвостовые плавники.

И, наконец, машущие хвостовые плавниковые движители у китообразных и скоростных рыб наделены следующими достоинствами:

быстро и плавно включаться и выключаться, сообщая телу ускорение и замедление;

хорошо работать при перегрузке; способность использовать также в качестве органов управления

движением.

По сравнению с применяемыми в технике движителями они имеют и недостатки:

непригодны для реверса; должны обязательно сочетаться с волновыми движителями тела.

Тем не менее отмеченные в гидробионическом смысле недостатки плавниковых движителей технически преодолимы.

1.3. Общая характеристика и анализ кинематики нестационарного плавания гидробионтов

Плавание водных животных и рыб всегда нестационарное, чаще всего периодическое и близкое к гармоническому. Нестационарный принцип движения, представляющий основу экономичности движения гидробионтов, объясняется, с одной стороны, биологическими процессами регулирования параметров живых тканей (циклы энергообмена, акты дыхания и кровообращения), а с другой – механи- ческими принципами, связанными с колебательными движениями тела и плавников гидробионтов. Этот принцип движения представляет несомненный практический интерес при создании различных технических средств движения в воде.

В нестационарном плавании гидробионтов необходимо разли- чать регулярное плавание и переходные процессы. Под регулярным понимается достаточно продолжительное плавание с относительно умеренными характеристиками нестационарности. К нему относится, например, прямолинейное движение. Переходные процессы – разгон и быстрое торможение движения, заныривание, выпрыгивание из воды и т.п. – имеют относительно большие значения характеристик движения.

Наиболее достоверным способом получения информации о механизме плавания гидробионтов являются прямой и обратный эксперименты. В процессе эксперимента гидробионт должен находиться в условиях, близких к естественным, и быстро адаптироваться к этим условиям. Для этого необходимо обеспечить адекватные природным следующие факторы обитания: соленость воды, температуру окружающей среды, турбулентность, освещенность и т.д.

За длительное время эволюции животных в водной среде (около 1 млрд лет) преимущественное закрепление получили видовые изменения, увеличивающие способность гидробионтов выжить и произвести обильное потомство. Это, в свою очередь, приводило к появлению совершенных способов плавания при сравнительно малых затратах энергии, что, несомненно, заслуживает изучения как с на- учной, так и с практической точек зрения.

В природе насчитывается достаточно большое число способов плавания в водной среде. Среди них наибольшее распространение у подвижных гидробионтов получил волнообразный способ. Менее распространенным и менее успешным в эволюционном смысле оказался наблюдаемый среди простейших кишечнополостных и гребневиков способ плавания с помощью большого количества ресни- чек. Противоположностью волнообразному является реактивное движение с помощью выбрасывания струй. Так плавают гидры и медузы, а также головоногие моллюски, например кальмары. Некоторые головоногие обладают также плавниками, с помощью которых осуществляется маневрирование на малых скоростях. Среди позвоночных реактивное плавание не встречается.

Реактивное движение эффективно лишь при достаточно больших числах Рейнольдса, а движение при помощи ресничек – при малых значениях этих чисел. Волнообразный способ плавания является наиболее универсальным и приемлемым в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

Различают три наиболее распространенные формы волнового движения крупных гидробионтов: угревидную, когда в волновом движении участвует все тело; скомброидную, когда в волновом движении участвует кормовая часть тела и хвостовой плавник; и, наконец, плавниковую, когда волновые движения осуществляются, главным образом, хвостовым плавником, в то время как все тело гидробионта в волновом движении не участвует. Наряду с этим различа-

ют также скатовидный способ движения, когда бегущая волна деформации пробегает только по удлиненным спинным и боковым плавникам. Тело гидробионта в последнем случае волновых движений не совершает.

Угревидным способом плавают угри, двоякодышащие рыбы и различные змеи. Причем чисто угревидным способом рыбы пользуются при плавании только с большой скоростью. Анализ скомброидного способа плавания показывает, что для эффективного плавания рыб удлиненной формы при больших числах Рейнольдса распространение пропульсивной волны вдоль всего тела необязательно. В этом случае вдоль носовой части тела пропульсивная волна мала при условии, что в кормовой части она увеличивается по мере приближения к хвостовому плавнику.

Анализ гидродинамических особенностей плавания гидробионтов позволяет сделать следующие выводы. Поскольку скомброидные рыбы и китообразные плавают при больших числах Рейнольдса, достигающих 108, они являются наиболее интересными объектами исследования. Угревидные рыбы слишком вытянуты и подвижны, поэтому параметры их движения не очень высокие. Плавание кальмаров весьма специфично. При всем разнообразии скомброидных рыб имеют место некоторые общие тенденции, касающиеся формы корпуса тела. Так, у медленно плавающих рыб корпус тела более плоский. Скоростные рыбы и китообразные обладают формами, приближающимися к телу вращения. Относительное удлинение первых и вторых равно пяти, что соответствует его оптимальному значению.

Отметим симметричность горизонтальной проекции всех медленно плавающих рыб и китообразных. Асимметрия тела, если имеет место, то только в вертикальной плоскости. Важны также такие детали внешних органов стабилизации и управления плаванием гидробионтов, как складные убирающиеся плавники.

Для характеристики кинематики регулярного нестационарного плавания гидробионтов служат следующие параметры: L, B и H – длина, ширина и высота тела гидробионта; А – размах колебаний плавникового движителя; A/L – относительный размах плавникового движителя; Т – продолжительность цикла (период); t – продолжительность регулярного режима плавания; n – частота колебаний плавникового движителя; ω = 2πn – циклическая частота; υ0 – средняя

ãäå k1 = k1(Φ, n), Φ – семейство безразмерных геометрических параметров тела;

частотно-скоростная υ0 = υ0(n). Анализ данных эксперимента показывает, что средняя скорость гидробионта данного вида (Φ = idem) прямо пропорциональна частоте колебаний n при одной и той же длине тела L = idem, т.е.

ãäå k2 = k2 (Φ, L); при этом значение υ0 = 0 соответствует n0 = 1…4; размерно-амплитудная A = A(L). Эта характеристика, по данным эксперимента, линейная в области n > n0 для рассматриваемого

вида гидробионта Φ = idem, т.е.

A = k3L ïðè Φ = idem è n > n0,

ãäå k3 = k3(Φ) при n ≥ 4…5 Гц. Так, для саргана k3 = 0,14; луфаря 0,26; дельфина-афалины 0,20.

К относительным пространственно-временным характеристикам относятся:

относительная частотно-скоростная υ 0 = υ 0 ( n ) . Она является

L L

обобщенной к размерным характеристикам (1.1) и (1.2) и также будет линейной, т.е.

υ 0 L = k4 ( n − n0 ) ïðè Φ = idem,

ãäå k4 = k4(Φ) è n0 = n0(Φ). Так, для тунца и саргана k4 = 0,48…0,50 è n0 = –4,32; для дельфина-афалины k4 = 0,95 è n0 = 0,25; для пеламиды k4 = 0,79 è n0 = 1,50;

относительная амплитудно-частотная A = A( n ). Эта характе-

L L

ристика неустойчивая и имеет вид

A/L = const ïðè Φ = idem è n > n0.

Наряду с размерными и относительными характеристиками, перечисленными выше, вводятся безразмерные характеристики локомоторных волн, образующихся на теле гидробионта при их движении:

отметим следующую их общую особенность: p = q = s = –0,08 и, таким образом, слабая зависимость от числа Re.

Анализ данных эксперимента позволяет установить следующие пределы изменения волновых характеристик:

m = 1,10…2,50; c/υ0 = 1,40...2,60; ShA = 0,20…0,45.

И, наконец, одной из важнейших кинематических характеристик плавания рыб и китообразных является максимальная скорость υmax, знание которой необходимо для оценки энергетических возможностей плавания гидробионтов и их моделирования, а также разработки рациональных методов, средств и орудий промысла.

По данным замеров кратковременной импульсной скорости плавания в море некоторых видов китообразных получена следующая эмпирическая формула:

ãäå k8 = 12,0 – для белобочки и сейвала; 11,4 – для афалины, косатки и синего кита; 10,0 – для гринды и финвала; 8,2 – для морской свиньи; 5,5 – для белухи, серого кита и кашалота.

Согласно (1.6) абсолютная максимальная скорость китообразных слабо зависит от длины тела гидробионта.

ГЛАВА 2. СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ ГИДРОБИОНТОВ

2.1. Общая характеристика сопротивления воды движению гидробионтов. Биоэнергетическая оценка сопротивления. Эффект Д.Грея

Сравнительно небольшое гидродинамическое сопротивление позволяет быстроплавающим морским животным и рыбам при небольших затратах энергии достичь высоких скоростей. Особенно пристальное внимание исследователей привлекает изучение гидродинамических явлений, сопровождающих обтекание тела китообразных, и главным образом дельфинов, и обусловливающих высокую скорость их движения (до 22 уз) при сравнительно малой затрате энергии. Еще более впечатляющей является способность дельфина длительное время двигаться со скоростью боевых кораблей (30…

...40 уз) за счет использования энергии волн, развиваемых на свободной поверхности воды движущимся кораблем. Дельфин обладает также способностью перемещаться в воде бесшумно, не оставляя за собой следа, что является предметом зависти для специалистов, связанных с созданием бесшумных средств движения в воде.

Следует выделить среди высокоскоростных китообразных и рыб группу морских хищных ксифиоидных (меч-рыба, копьеносцы, марлины и парусники), развивающих большую скорость. В этой группе выделяется меч-рыба, способная развивать кратковременную скорость до 60…70 уз главным образом за счет предельной массы мышц (67 % от общей массы тела рыбы), гидродинамически совершенной формы тела и хвостового плавника, а также выделения слизи в область пограничного слоя.

Первые исследования, связанные с изучением особенностей строения и формы тела быстроплавающих морских животных, были на- чаты в США после второй мировой войны. Главным их назначением явилось изыскание средств улучшения основных характеристик подводных лодок – повышение скорости хода и снижение гидродинамических шумов. Из многих видов морских животных наибольшее внимание зарубежных ученых привлекают китообразные, в