Борис Сергеев - Жизнь океанских глубин

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 движущегося 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.