Александр Супин - Этот обыкновенный загадочный дельфин

А сам хвостовой стебель, на котором закреплена лопасть, тоже испытывает сопротивление воды? Практически нет. Стебель сильно сплюснут с боков, поэтому при движениях вверх-вниз он, как нож, разрезает воду, практически не встречая сопротивления. Весь упор приходится на саму лопасть, повернутую под таким углом, чтобы сопротивление воды обратилось в тягу, толкающую тело дельфина вперед.

Своим хвостом-движителем дельфин управляет артистически. Режимы его работы — частота и амплитуда взмахов -всегда выбираются такими, чтобы достичь максимального эффекта при данной скорости движения. Когда дельфин только начинает разгон, хвост его описывает широкие, размашистые движения, помогающие разогнать с места массивное тело. По мере увеличения скорости несущийся навстречу поток воды сделал бы такие движения неэффективными, но характер работы хвоста меняется, его взмахи становятся все более короткими и быстрыми — при любой скорости находится оптимальный режим, дающий наилучшую отдачу.

Но, оказывается, иметь эффективный и послушный в управлении движитель — это лишь полдела. Более полу века назад английский зоолог Грэй попытался подсчитать, какую мощность может и должен тратить дельфин для движения с той скоростью, которую он способен развивать. Сделать такой расчет вполне возможно. С одной стороны, есть хорошо проверенные физические формулы, по которым можно рассчитать, сколько энергии требуется, чтобы тело такой же формы и такого раз мера, как тело дельфина, преодолевало сопротивление воды с определенной скоростью. С другой стороны, физиологи могут подсчитать энергетические ресурсы организма и оценить, какой энергией реально располагает дельфин, чтобы вложить ее в свой «двигатель». Грэй подсчитал то и другое. Сравнил. И очень удивился. Оказалось, что дельфин вроде бы должен тратить для своего движения в несколько раз большую энергию, чем та, которой он реально может располагать. Этот результат стал известен как «парадокс Грэя».

Конечно, закон сохранения энергии никто не отменял. Дельфин не может брать энергию «ниоткуда». Значит, он обходится тем относительно небольшим ресурсом энергии, который есть в его распоряжении, но расходует его намного экономнее и эффективнее, чем известные механические устройства. Значит, и тут есть у него свой секрет. И что самое интересное — приблизительно даже было известно, где искать этот секрет. И все равно найти его оказалось не очень легко.

А искать надо было вот где. Давно известно, что, когда какое-то тело движется в воде (или в воздухе, или другой среде, но для определенности давайте говорить о воде), обтекание тела водой не всегда происходит равно мерно, даже если это тело идеальной обтекаемой формы. При относительно небольшой скорости струи воды плавно расступаются перед телом, обтекают его и так же плавно смыкаются за ним. Но если скорость увеличить, то трение между водой и поверхностью тела нарушит это плавное течение. Струи воды отрываются от поверхности, завиваются в вихри. Эти вихри прочно присасываются к движущемуся телу, держат его, мешают двигаться вперед. Львиная доля всей энергии, затрачиваемой на движение, поглощается этими вихрями и безвозвратно уносится в убегающий назад поток. Поэтому потребность в энергии для движения тела сразу резко возрастает.

Если избавиться от этих непрошеных попутчиков-вихрей, станет возможным двигаться с довольно большой скоростью, но затрачивая совсем немного энергии. А если не совсем избавиться, то хотя бы уменьшить степень завихрения, хоть немного оттянуть момент появления вихрей, чтобы они возникали, когда тело достигнет большей скорости, — уже был бы огромный выигрыш. Собственно, это и есть основной, если не единственный путь, которым можно достичь быстрого движения при малой затрате энергии. Здесь и стали искать дельфиньи секреты быстрого плавания.

И хотя все подробности того, что происходит вокруг тела дельфина, когда он плывет со спринтерской скоростью, еще не до конца ясны, но многое указывает на то, что ему действительно удается ослабить завихрения воды вокруг своего тела. Может быть, для этого у него есть даже не один способ, а несколько. Во-первых, исследователи обратили внимание на особенности дельфиньей кожи. Она у них не такая, как у наземных зверей, а очень упругая и эластичная. Такая кожа может смягчать, гасить зарождающиеся на ее поверхности вихри, а это очень важно — гасить завихрения «в зародыше», в самый момент их возникновения. Как только в обтекающем потоке появится хотя бы небольшое завихрение, маленький водоворотик, он тут же разрастется, разовьется в полновесный мощный вихрь, а если такого вихря-«зародыша» нет, то поток воды еще какое-то время может двигаться плавно, ровно. Завихрения, конечно, все равно возникнут при достаточно большой скорости, но эта «разрешенная» скорость будет уже немного по больше, а та часть тела, вокруг которой бушуют вихри, — поменьше. Это уже дает чувствительный выигрыш в преодоления сопротивления воды.