| Главная | Библиотека сайта | Форум | Гостевая книга |
Глава восьмая
КАК БЫСТРО ПЛАВАЮТ ДЕЛЬФИНЫ?
Невероятные истории рассказывают о быстроте движения этих созданий. Они быстроходней всех животных, морских и сухопутных, и могут выпрыгивать из воды выше мачт крупных судов. Аристотель «История животных» |
В 30-х годах нашего века специалисты по автотранспорту и многие другие громче
всего говорили об обтекаемости. Каплевидная форма была провозглашена идеальной,
все углы подлежали округлению и зализыванию. Автомобили, стиральные машины
и тостеры стали конструировать так, чтобы они выглядели несущимися со скоростью
100 км/час даже тогда, когда они стоят на месте. Дело дошло даже до выпуска
обтекаемого утюга, который в отличие от утюгов старых фасонов позволял хозяйке
не тратить сил на преодоление сопротивления воздуха при глажении рубашек своего
супруга.
Сейчас разговоры об обтекаемости приутихли, само слово почти не употребляется,
а каплевидная форма вышла из моды. Проблема обтекаемости заботит теперь только
тех, кого непосредственно касается — конструкторов гоночных автомобилей, самолетов,
ракет и подводных лодок.
В воздухе положительные свойства обтекаемой формы проявляются лишь на высоких
.скоростях. Другое дело — движение в воде, поскольку вода в 700—800 раз плотнее
воздуха. Именно по этой причине морским животным просто недоступны такие большие
скорости, которые могут развивать птицы и быстроногие наземные млекопитающие.
И по этой же причине для обитателей подводного мира обтекаемость представляет
собой весьма значимый фактор даже на малых скоростях.
Вот уже несколько тысяч лет дельфинов, марлинов и меч-рыбу считают необычайно
быстрыми пловцами. Это убеждение бытует и сегодня. Еще несколько лет тому
назад посетителям аттракционов на флоридской косе, где показывают дрессированных
дельфинов, объясняли, что эти животные могут плыть со скоростями 100—110 км/час.
А кое-кто из гидов упоминал о бутылконосом дельфине, плывшем со скоростью
120 км/час, что якобы зарегистрировано с военного самолета. Факт этот, мягко
выражаясь, более чем сомнителен. Никто не знает, какую максимальную скорость
может развить дельфин, но, как мы увидим ниже, ни одна из названных цифр не
может считаться правдоподобной.
Вопросами движения твердого тела в жидкой среде занимается гидродинамика.
Специалистов по гидродинамике интересовало, что происходит при обтекании поверхности
тела жидкостью, Оказалось, что при этом в жидкости образуются вихревые потоки.
Явление это называется турбулентностью. Турбулентность делает среду как бы
более вязкой и препятствует движению тела. Чем ближе форма тела к обтекаемой,
тем спокойнее ведет себя обтекающая жидкость,— такое спокойное течение называется
ламинарным. Но обтекаемость и гладкость поверхности — это не единственные
факторы, определяющие гидродинамические характеристики движущегося тела. Оказывается,
турбулентность потока увеличивается с ростом размеров и скорости движущегося
тела.
Парадокс Грэя
Первым, кто занялся гидродинамикой мелких китообразных, был английский ученый
сэр Джон Грэй. Взяв цифры, которые приводились в печатных сообщениях о скоростях
дельфинов,
и произведя на их основании соответствующие расчеты для жестких моделей, Грэй
пришел к выводу, что скорости дельфинов сильно завышены. Получалось что-то
вроде старого анекдота о шмеле, который с точки зрения аэродинамики летать
не должен, но, не зная об этом, как-то умудряется подниматься в воздух.
Сэр Джон Грэй привел, в частности, рассказ о наблюдениях одного начинающего
ученого, сделанных во время плавания в Индийском океане. Корабль шел со скоростью
8,5 узла (15,75 км/час), дельфин нагнал его и прошел вдоль корабля от кормы
до носа за 7 секунд, то есть двигался со скоростью 20 узлов (37 км/час). Исходя
из предположения, что дельфин способен поддерживать эту скорость в течение
длительного времени, Грэй вычислил, что при наличии турбулентности в потоке,
омывающем тело китообразного,— если принять, что к. п. д. лопастей его хвоста
близок к единице — оно должно обладать мускулами в семь раз более сильными,
чем любое иное млекопитающее.
Этот результат заставил Грэя предположить, что дельфины каким-то образом умеют
поддерживать ламинарность набегающего потока. Он провел несколько опытов с
резиновыми моделями, надеясь выяснить, не гасится ли турбулентность в потоках,
обтекающих эластичные тела, но никаких результатов не добился [1]. Кое-кто
пытался доказать, что мускулы дельфина действительно способны развить мощность,
указанную Грэем, но тоже безрезультатно. И на долгие годы эта проблема, получившая
название «парадокс Грэя», стала камнем преткновения для теряющихся в догадках
специалистов.
Кожа дельфина
Большую роль в развитии исследований по гидродинамике дельфинов сыграл доктор
Макс Крамер, немецкий специалист по управляемым снарядам, прибывший в Америку
после второй мировой войны. Крамер упорно искал пути уменьшения лобового сопротивления
движению твердых тел в воздухе и даже запатентовал одну из своих идей. Впервые
увидев дельфинов во время поездки по Соединенным Штатам, Крамер был поражен
той явной легкостью, с какой они движутся в воде. Он начал собирать данные
о скорости и мощности мускулатуры дельфинов и сразу же наткнулся на сообщения,
что эти животные обгоняют авианосцы и другие корабли, идущие полным ходом.
Значит, дельфины движутся со скоростью свыше 70 км/час, заключил Крамер, а
это возможно лишь в том случае, если они умеют гасить турбулентные вихри в
обтекающем их потоке. Не зная об отрицательных результатах опытов Грэя с резиновыми
моделями, Крамер предположил, что гашение турбулентных вихрей происходит за
счет эластичности кожи, и решил при первой же возможности изучить кожу дельфина.
В 1955 году он получил образцы кожи из «Тихоокеанского Мэринленда».
Кожа дельфинов, как и всех китообразных, во многих отношениях отличается от
кожи наземных млекопитающих. В ней нет сальных и потовых желез и практически
нет волосяных сумок (только на передней части головы у дельфина имеется несколько
волосков). На глаз и на ощупь кожа дельфина похожа на влажную гладкую резину.
Очень часто, особенно у дельфинов, живущих в неволе, кожа покрыта тонкой грязноватой
пленкой, легко отслаивающейся при прикосновении,— это постоянно отмирающий
и отшелушивающийся внешний слой эпидермиса. Не будь этого, дельфин нес бы
на себе целые колонии микроскопических личинок различных морских организмов,
в первую очередь усоногих рачков, и его обтекаемость резко упала бы.
Если тонкий поперечный срез кожи поместить под микроскоп, вы увидите, что
эпидермис и ниже лежащая дерма — это не просто два параллельных слоя ткани.
Слой дермы имеет на поверхности микроскопические складки, идущие почти вдоль
оси тела. Гребни этих складок усеяны пальцевидными сосочками, внедряющимися
в эпидермис. Недавно умерший голландский цетолог Е. И. Слийпер считал, что
такое «прочное, но эластичное» соединение между дермой и эпидермисом предотвращает
разрывы между ними во время трения кожи о рассекаемую воду. Он обратил внимание
и на то, что мелкие артериальные сосуды, пронизывающие сосочки дермы, тесно
переплетены с венозными, отводящими кровь обратно. По мнению Слийпера, такая
структура, во-первых, обеспечивает кровообращение во внешнем слое кожи, а
во-вторых, осуществляет непосредственный переход тепла от артериальной крови
к венозной, предотвращая излишнюю отдачу тепла во внешнюю среду [2].
Доктор Крамер смотрел на кожу дельфина глазами физика и инженера. Разделив
кожу на отдельные слои, он измерил их толщину и упругость. А увидев, что кожа
вся пронизана системой микроскопических каналов, Крамер сделал вывод, что
заключенная в них жидкость может легко циркулировать, приливая к тем точкам,
где внешнее давление уменьшается, и отливая от тех точек, где внешнее давление
возрастает. Произведя соответствующие математические расчеты, Крамер показал,
что приобретаемая за счет этой циркуляции «суперэластичность» кожных покровов
животного может погасить зарождающийся в рассекаемой жидкости вихрь прежде,
чем тот превратится в турбулентный поток, тормозящий движение.
Именно эту идею уменьшения лобового сопротивления доктор Крамер запатентовал
за несколько лет до того, как впервые увидел дельфинов. Убедившись, что находится
на правильном пути, Крамер взялся за разработку синтетического материала,
обладающего свойствами, подобными свойствам кожи дельфина. Кое-каких успехов
Крамер добился, но задача оказалась слишком сложна для современной технологии.
Крамер по-прежнему убежден, что создать такой материал можно, но для этого
придется как следует поработать ученым, занимающимся созданием новых веществ
и разработкой производственных процессов [3].
Нотти
И Грэй, и Крамер в своих расчетах брали за основу данные о скорости движения
дельфинов, полученные во время случайных наблюдений в открытом море. Сотрудники
Испытательной станции морской артиллерии, искавшие способы уменьшения лобового
сопротивления движущейся торпеды, хотели знать, насколько реальны эти расчеты.
Для этого им нужны были точные исходные данные о скоростях дельфинов, полученные
в строго заданных условиях. Чтобы получить эти данные, станция приобрела у
«Тихоокеанского Мэринленда» самку тихоокеанского белобокого дельфина по имени
Нотти. Томас Дж. Лэнг, специалист по гидродинамике, принимавший участие в
работах по этой теме, обучил Нотти по команде развивать максимальное усилие
(конечно, он только мог надеяться, что оно максимально), а затем скользить
в воде по инерции. Нотти обучили нести на себе нечто вроде кольцеобразного
воротника. Надевая и снимая воротники разной толщины и оценивая возникающую
при этом турбулентность в рассекаемой воде, можно было оценить мощность мускулатуры
Нотти и сопротивление среды как при активном плавании, так и при движении
по инерции. Самый тонкий воротник имел толщину 1,6 мм и представлял собой
просто проволочную петлю. По расчетам, этого уже было достаточно, чтобы нарушить
ламинарность потока рассекаемой жидкости и резко увеличить сопротивление движению
дельфина (по сравнению со случаем, когда животное движется в незавихряющемся
потоке).
Опыты велись в 96-метровом плавучем доке гидродинамической лаборатории фирмы
«Конвэйр» в Сан-Диего. Было установлено, что максимальная скорость Нотти равна
15 узлам (27,3 км/час). Это на 4 узла (7,4 км/час) превышает скорость, которую
можно ожидать в полностью турбулентном потоке, но на несколько узлов меньше
той скорости, которую развивают белобокие дельфины на воле, судя по наблюдениям
лиц, сообщения которых заслуживают полного доверия. Самый тонкий воротник
на движении Нотти никак не сказывался. Это означало, что при свободном движении
Нотти течение воды вдоль поверхности ее тела ни в коем случае нельзя считать
чисто ламинарным. Оценка скольжения по инерции показала, что лобовое сопротивление
Нотти практически не отличается от лобового сопротивления жесткой модели тех
же размеров. Волнообразные движения тела дельфина при активном плавании также
не уменьшали величины лобового сопротивления. Как свидетельствовали расчеты,
за краткое время Нотти развивала мощность того же порядка, что и не очень
сильный человек [4].
Складывалось впечатление, что ни в гидродинамических характеристиках дельфина,
ни в мощности его мускулатуры ничего необычного нет. Но, с другой стороны,
отсутствие должной резвости у Нотти можно было объяснить ограниченностью бассейна,
недостатками в самом обучении, ослаблением животного в неволе и многими другими
факторами. Короче, результат нельзя было счесть окончательным, и решено было
повторить опыты. Но прежде чем их удалось повторить и завершить, прошло четыре
года.
Скоростные заплывы в море
Только в 1964 году Лэнгу и Кеннету С. Норрису (тогда еще работавшему в Лос-Анджелесском
отделении Калифорнийского университета) удалось продолжить опыты на Гавайских
островах, используя накопленное нами умение работать с дрессированными дельфинами
в открытом море. Как упоминалось в главе шестой, Норрис обучил тихоокеанского
бутылконосого дельфина Кеики совершать скоростные заплывы на дистанции 60
м в спокойной бухте. При этом Кеики плыл, догоняя маленький катер. По сравнению
с другими видами китообразных бутылконосые дельфины вовсе не самые быстрые
пловцы, но Кеики в бухте достигал скорости 16 узлов (29,63 км/час) — то есть
плыл быстрее, чем Нотти в доке. В открытом море максимальная скорость Кеики
составляла 14,5 узла (26,85 км/час). Но наблюдатели с соседнего островка в
один голос утверждали, что катер и Кеики движутся со скоростью свыше 20 узлов
— наглядная иллюстрация того, насколько могут быть неточны наши субъективные
представления о быстроте движения дельфинов.
При заплывах в открытом море Кеики просто плыл рядом с катером. Скорость катера
увеличивали до тех пор, пока Кеики не начинал отставать. При скорости катера
6 узлов (11,1 км/час) дельфин мог очень долго плыть рядом, не отставая; со
скоростью 12 узлов (22,2 км/час) он плыл не дольше минуты, а скорость 14,5
узлов (26,85 км/час) он выдерживал всего лишь в течение 7,5 секунд. Кеики
обычно держался в зоне волны от носа катера или в зоне первой кормовой волны,
но катер был слишком мал, чтобы расходящиеся от него волны помогли бы дельфину
увеличить скорость своего движения. Очевидным доказательством этого являлась
кратковременность рывков Кеики.
Произведя соответствующие вычисления, Лэнг убедился, что измеренные скорости
хорошо согласуются с расчетными для случая движения в турбулентном потоке,
если принять, например, к. п. д. лопастей хвоста Кейки равным 85% (а не 80%,
как было принято в расчетах по Нотти). Несколько выходило за рамки обычных
представлений лишь то обстоятельство, что дельфин мог поддерживать скорость
14,5 узла в течение 7,5 секунд. Это означало, чтю Кеики либо имеет лобовое
сопротивление на 40% меньше, чем человек-атлет того же веса, либо настолько
же сильнее человека [5].
Лэнг на этом не успокоился и совместно с Карен Прайор, сотрудницей Океанографического
института в Уэйманалоу на острове Оаху, поставил серию опытов с двумя пятнистыми
продельфинами, представителями пелагических видов, которым приписывали необычно
большие скорости. В этих опытах катер не участвовал. В бухте была намечена
24-метровая дистанция, вдоль которой электрическая лебедка, установленная
на берету, тащила деревянный поплавок со скоростями до 29 узлов (53,7 км/час).
Животных обучили преследовать этот поплавок.
Как и ожидалось, продельфины оказались быстроходнее всех ранее обследованных
животных. Более крупное животное из двух, принимавших участие в опыте, за
2 секунды набирало скорость 21,5 узла (39,8 км/час). Лэнг установил, что это
соответствует расчету, в котором обтекание принимается частично турбулентным,
а мощность мускулатуры животного в 2,2 раза превышает мощность мускулатуры
человека-атлета. По сравнению с Нотти и Кеики продельфин выглядел богатырем,
но до семикратного превосходства, о котором говорил сэр Джон Грэй, ему было
весьма и весьма далеко [6].
Плавники дельфина
В ходе своих опытов Лэнг изучил поперечное сечение лопастей хвоста и спинного
плавника у дельфинов трех видов — обыкновенного дельфина, тихоокеанского белобокого
дельфина и белокрылой морской свиньи. Выступая на теле дельфина, лопасти хвоста
и спинной плавнздк обеспечивают управление плаванием, стабилизацию корпуса
и продвижение вперед. Но специалиста по гидродинамике эти выступы интересуют
прежде всего как места повышенного лобового сопротивления, зависящего от формы
поперечного сечения. К удивлению Лзнга, спинной плавник продельфина имел то
же поперечное сечение, что и лопасти хвоста обыкновенного дельфина. Спинной
плавник белокрылой морской свиньи оказался тоньше, чем спинные плавники обыкновенного
дельфина и продельфина. Поскольку высокие гидродинамические качества тонких
плавников особенно отчетливо проявляются на высоких скоростях, измерения Лэнга
подтверждают мнение о белокрылой морской свинье как об очень скоростном пловце.
Лэнг сравнил полученные результаты с оптимальными профилями крыльев самолетов,
которые приводятся в различных теоретических работах. Он обнаружил две малоизвестные
в то время работы, авторы которых предлагали каждый свой вариант поперечного
сечения крыла планера, причем оба автора подходили к проблеме аэродинамического
профиля с точки зрения требований, предъявляемых к высокоскоростным гидродинамическим
профилям. Сейчас оба эти варианта пользуются все возрастающей популярностью.
Так вот оказалось, что профили спинных плавников дельфинов представляют собой
компромиссное решение, сочетающее важные особенности обоих этих вариантов.
Не исключено, что «компромиссное решение природы», воплощенное в плавнике
дельфина, обладает рядом преимуществ по сравнению с каждым вариантом, взятым
в отдельности.
Дальнейший анализ выявил другие интересные подробности. Если твердое тело
движется в воде с возрастающей скоростью, то при определенных величинах скоростей
и ускорений возникает физическое явление, известное под названием «кавитация».
Жидкая среда, раздвигаемая телом, в силу своей вязкости не успевает заполнить
пространство, освобождающееся позади тела. И вдоль задней кромки тела в жидкости
образуются мелкие пустотные разрывы, которые в следующий момент «схлопываются»,
распространяя вокруг себя ударные волны. Мириады этих крохотных ударов обрушиваются
на заднюю кромку тела, стачивают и разрушают ее. От кавитации чаще всего страдают
корабельные винты. При резком переходе двигателей в режим полного хода винты
получают большие ускорения и кавитация со всей силой обрушивается на их задние
кромки. Кромки постепенно разрушаются, и в конце концов винты выходят из строя.
Иными словами, кавитация проявляется при сильной турбулентности.
Можно рассчитать скорость, при которой даже очень малые ускорения вызовут
кавитацию на задней кромке плавника, имеющего определенную форму поперечного
сечения. Лэнг определил, что для обыкновенного дельфина эта критическая скорость
равна 31,5 узла (58,3 км/час), для тихоокеанского белобокого дельфина — 33,5
узла (62 км/час), а для белокрылой морской свиньи она должна быть свыше 40
узлов (более 74 км/час). Сами по себе эти цифры не определяют максимальной
скорости дельфина. Ведь плавники движутся под углом к потоку, а лопасти хвоста
ходят вверх-вниз по отношению к направлению движения животного. В этих условиях
кавитация проявляется на меньших скоростях. Если принять, что поток воды набегает
на плавник под углом 4°, то кавитация должна возникнуть при скоростях меньших,
чем указанные, на 9 узлов (16,7 км/час), то есть при скоростях, близких к
тем, которых достигали дельфины всех трех видов. Насколько мне известно, быстроходность
белокрылой морской свиньи никто точно не определял, но она движется явно быстрее
тихоокеанского белобокого дельфина и обыкновенного дельфина. Признать ее первенство
в скорости плавания заставляет не только анализ профиля поперечного сечения
ее спинного плавника. Вспомним, что в ее крови запасено гораздо больше кислорода,
чем у других дельфиновых (см. главу 7). Отсюда можно сделать предположение,
что мощность ее мышц намного больше, и, следовательно, она может развить гораздо
большую скорость, чем прочие дельфины [7].
При определенных условиях можно зрительно наблюдать турбулентные вихри, возбуждаемые
плывущим дельфином. Они очень хорошо видны ночью, когда дельфин плывет в воде,
насыщенной микроорганизмами, светящимися в ответ на механическое раздражение.
Двадцать лет тому назад английский ученый Дж. Э. Стефен сообщил, что видел
обыкновенного дельфина, плывшего ночью в спокойной фосфоресцирующей воде.
Стефен особо отметил, что при взгляде на дельфина сверху хорошо видны две
четкие расходящиеся линии турбулентных вихрей. В подобных же условиях Стефен
наблюдал и тюленя. Вихреобразование вокруг тюленя носило беспорядочный характер.
Несколько лет тому назад с борта катамарана «Си си» были проведены более детальные
наблюдения за дельфинами, плывшими в фосфоресцирующей воде. В 1967 году, когда
катамаран однажды ночью возвращался к калифорнийскому берегу из района острова
Каталина, за кораблем увязались белобокие дельфины. Спустившись в наблюдательную
камеру, Уильям Э. Эванс и его коллега Ларри Э. Мак-Кинли зарисовали то, что
им удалось увидеть. Узкие цепочки вихрей тянулись за спинными плавниками и
ластами животных. От концов лопастей хвоста и конца стебля хвоста исходили
светящиеся потоки, образуя винтообразные линии, тянувшиеся за дельфинами.
Лоб и передние кромки ласт и спинного плавника ярко светились, менее яркое
свечение наблюдалось на туловище позади спинного плавника.
Вероятнее всего, Стефен, наблюдая дельфинов сверху и с большого расстояния,
сумел различить лишь вихри, стекающие с кончиков ласт и образующие две расходящие
линии. Полоска светящейся воды от спинного плавника была ему не видна на фоне
вихрей, образуемых лопастями хвоста. Но, может быть, те дельфины, которых
видел Стефен, плыли медленнее, чем спутники «Си си». Так или иначе и Стефен,
и Мак-Кинли, и Эванс — все трое подтверждают, что на поверхности тела дельфина
имеются области, где поток воды не ламинарен, а турбулентен.
