Оборотная сторона сопротивления

Водная среда, с одной стороны, создает для морских организмов некоторую опору, позволяя им не тонуть, с другой, оказывает сопротивление, мешая передвигаться в пространстве. С сопротивлением среды приходится бороться. Практически вся энергия, которую водные существа расходуют при перемещении, тратится на ее преодоление.

Вода почти в тысячу раз плотнее воздуха, а потому оказывает движущемуся телу более значительное сопротивление. В этом каждый имел возможность убедиться, входя в воду. Сопротивление воды складывается из трения и давления. Трение возникает в результате того, что вода обладает известной вязкостью. Энергия, которую приходится тратить живым организмам на ее преодоление, это и есть та ее часть, которую съедает трение. Во время перемещения животного вода не скользит по поверхности его тела, а прилипает к ней. В результате плывущее животное тащит за собой часть обтекающего его потока воды, слой сдвига, представляющий собой слоеный пирог. Его слои движутся тем медленнее, чем ближе расположены к телу. Такое послойное движение называют ламинарным. В реальности его существования убеждает пыль на лопастях вентилятора, не сдуваемая сильнейшими потоками воздуха. В водной и воздушной среде действуют одни и те же механизмы трения.

Чтобы двигаться, животное должно смещать находящуюся перед ним воду. Это лобовое сопротивление. Его величина зависит от формы тела. Для диска, перемещающегося плоскостью вперед, лобовое сопротивление значительно выше, чем при движении вперед ребром. В первом случае диск будет оставлять за собою область с завихренным движением воды, во втором не возникнет почти никакого возмущения. Буруны, возникающие у форштевня быстро идущего судна, разбегаются в обе стороны от корпуса. Вода за кормой приобретает кинетическую энергию, источником которой является работа, совершаемая при проталкивании судна вперед. Совершенно очевидно, что для создания такого сильного движения воды необходимо затратить немало энергии. Лобовое сопротивление называют сопротивлением давлению. Оно зависит от размера и формы передней и задней частей двигающегося тела. Может показаться невероятным, но тупая корма у судна является причиной более значительного сопротивления воды, чем тупой нос! Чтобы избавиться от завихрений позади движущееся тела, необходимо постепенное сужение его заднего конца. Тогда сзади струи будут плавно смыкаться.

У хорошо обтекаемого тела лобовое сопротивление почти целиком связано с трением, а оно, в свою очередь, зависит от размеров поверхности. Сопротивление такому телу будет немногим больше, чем у пластины равной с ним площади, если она движется ребром вперед.

Для активно плавающих животных лобовое сопротивление зависит от отношения их длины к наибольшему диаметру. Увеличение длины тела обычно сопровождается существенным увеличением его площади, что приводит к увеличению трения и снижению сопротивления давлению. У объектов с одинаковой площадью поверхности лобовое сопротивление будет наименьшим при отношении длины к диаметру, равном двум.

Ламинарное, послойное движение воды вдоль двигающегося тела сохраняется лишь при небольших скоростях перемещения. Когда скорость достигнет критического значения, в пограничном слое возникают завихрения, то есть движение жидкости становится турбулентным, что в переводе с латыни означает "бурный", "беспорядочный". При этом сопротивление трения резко возрастает, но так как бурный пограничный слой приводит к уменьшению размеров возмущения позади двигающегося тела, сопротивление давлению падает, С помощью турбулентного пограничного слоя можно резко уменьшить лобовое сопротивление, чем живые существа активно пользуются. Они добиваются возникновения турбулентности при малых скоростях движения с помощью различных выростов своего тела или передвигаются со скоростью, при которой она возникает сама собой.

Скорость движения животных, имеющих обтекаемую форму, при которой возникает турбулентность и происходит снижение лобового сопротивления, зависит от их размера. Для более крупных она существенно меньше, чем для мелких. При длине рыбы, равной 1 метру, достаточно скорости 1 метр в секунду, а при длине тела в 10 сантиметров - около 10 метров в секунду.

Обычно турбулентный пограничный слой начинается в некотором отдалении от переднего конца движущегося животного. Изменяя форму тела, можно сократить размеры турбулентного слоя, отодвинув его к хвосту. Если передняя часть тела животного постепенно расширяется, а самая широкая отодвинута назад, впереди нее пограничный слой остается ламинарным, а завихрения возникают в районе утолщения. В этом случае сопротивление трения остается незначительным. Однако слишком близко к концу тела относить наиболее расширенную его часть не резон, так как выгоды от уменьшения трения не компенсируют резко увеличивающегося в этом случае сопротивления давления.

Оборотная сторона сопротивления

Животные умело пользуются преимуществами, которые дают ламинарность или турбулентность пограничного слоя. Об этом говорит гладкая, нередко покрытая обильной слизью кожа одних животных или неожиданные шероховатости и даже выступы на теле других. Шероховатость, если неровности невелики и не торчат из пограничного слоя, почти не увеличивает лобового сопротивления. Зато крупные выступы могут вызвать турбулентность.

Пару десятилетий назад физиологи обратили внимание на то, что дельфины способны развивать слишком большую скорость, не соответствующую мощности их мышц. Так, например, дельфин Гилля длиною 190 сантиметров способен развивать скорость более 8 метров в секунду. Для объяснения парадокса дельфинов было высказано предположение, что губчатая ткань, лежащая у поверхности кожи, поглощает часть энергии бурных турбулентных завихрений, резко снижая размах колебаний в прилегающем к коже слое воды. Некоторые ученые подозревают, что дельфины благодаря хорошо развитым кожным нервам способны предчувствовать зарождение турбулентности в определенных районах наружных покровов и с помощью кожных мышц изменяют форму тела, поддерживая его обтекаемость на оптимальном уровне, благодаря чему лобовое сопротивление животного остается более низким, чем было бы у его твердой копии.

Ничего достоверного не известно о влиянии слизи наружных покровов животных на обтекаемость их тел. Экспериментальная проверка подтвердила, что смазка может снижать трение, и даже были успешные попытки внедрения в практику "смазки" корпусов судов. Еще в тридцатые годы во время движения огромного океанского лайнера "Нормандия", перевозившего пассажиров через Атлантический океан, в носовую часть судна подавалась водно-воздушная эмульсия, резко снижавшая вязкость, а следовательно, и трение пограничного слоя воды. Несколько позже был создан ряд полимерных жидкостей, способных при добавлении в воду (в совершенно ничтожных количествах) уменьшить или полностью погасить турбулентность.

Пограничный слой вокруг крупных животных позволяет рыбам-лоцманам использовать акул как транспортное средство. Издавна моряки считали, что более зоркие лоцманы плывут впереди своих грозных владык и наводят хищниц на дичь, за что получают крохи с барского стола. Это не соответствует действительности. Обычно лоцман в 8-20 раз меньше акулы, которую он сопровождает. В этом случае наиболее экономичная скорость хищницы будет как минимум в три раза превышать экономичную скорость эскорта. Трудно представить, чтобы лоцманы смогли выдержать такие темпы.

Наблюдения в море показали, что лоцманы не забегают вперед акулы, а держатся в непосредственной близости от хвостовой части ее тела. Только там "зайцы" могут проехаться бесплатно, не затрачивая на передвижение серьезных усилий, так как находятся в толще окружающего акулу пограничного слоя. Теоретические подсчеты показывают, что у двухметровой акулы толщина пограничного слоя в 33-28 сантиметрах от кончика ее хвоста будет достигать 4-4,5 сантиметра. Вполне достаточно, чтобы в нем нашли приют 20-сантиметровые лоцманы. У 12-метровой акулы в двух метрах от кончика ее хвоста пограничный слой имеет толщину 23 сантиметра. В нем, уютно устроившись, могут путешествовать чуть ли не метровые лоцманы с высотою тела до 8 сантиметров. Пограничным слоем океанских лайнеров, толщина которого превышает 1 метр, могут пользоваться даже крупные животные.

Ну а как быть лоцману, если он зазевается и покинет пограничный слой? Оказывается, отстать от "поезда" не так-то просто: отставший пассажир будет мгновенно возвращен обратно под действием так называемой пондеромоторной силы притяжения, возникающей между находящимися рядом и плывущими параллельным курсом телами. Сила притяжения значительна. Лоцманы чувствуют себя здесь достаточно уверенно.

Оперируя одной лишь логикой обыденного здравого смысла, трудно поверить, что к акуле прилипает слой воды толщиной в 23 сантиметра и несчастная рыба тянет за собой этакую тяжесть, а заодно может прихватить и оказавшуюся там живность. В существовании пограничного слоя можно убедиться, путешествуя любым быстроходным транспортом. Вероятно, каждому случалось видеть, как к одному из боковых стекол легковой машины "прилипает" оказавшийся в воздухе древесный лист и надежно держится на нем, вопреки воздушным вихрям, поднятым машиной, пока она почему-то не сбавит скорость.

Еще более удивительная картина может открыться из иллюминатора самолета. Иногда случается видеть, как невесть откуда принесенная снежинка "прилипает" к крылу самолета и медленно, с остановками, ползет к его заднему краю, без труда выдерживая напор воздушных вихрей чудовищной силы. Странное поведение листьев, бумажек, снежинок - результат "шалостей" пограничного слоя.

Обитатели океана прекрасно ориентированы в законах обтекания и разумно ими пользуются. Китовые вши, "зайцами" путешествующие на теле кита, несмотря на то, что не умеют плавать, чувствуют себя там достаточно уверенно. Им нет необходимости крепко цепляться за его кожу. Нужно лишь не забредать в зону отрыва пограничного слоя и не проморгать момент, когда кит резко замедлит движение.