Как видно из таблицы, целесообразно разделить все рыбы на две группы: угревидные и скомброидные. Биологи на протяжении десятилетий изучали и пытались дать качественное объяснение законов движения рыб. Многие из этих толкований оказались, как это теперь известно, ошибочными. Точную модель движения рыбы не удавалось построить из-за отсутствия строгой математической теории движения гибких тел в воде. Особую загадку представляли угревидные, у которых отсутствовали плавники. Однако именно загадка движения угревидных повела поиск дальше и позволила в конце концов установить основные принципы движения рыб. В связи с этим, кроме уже указанных выше, надо назвать интересные математические исследования. В них дано изложение механического принципа, позволяющего количественно и качественно объяснить механизм, с помощью которого изгибные колебания рыб, в частности угревидных, трансформируются в тягу. Однако наибольший практический интерес прикладной гидродинамики сейчас вызывают не угревидные, а скомброидные и среди них – тунцовые. Обычный тунец – объект интенсивного и все возрастающего рыбного промысла. Это вкусная рыба, обитающая в океане и достигающая в длину 4 м. Тунец может развивать скорость до 40, а по некоторым данным – до 60 узлов, т. е. более 30 м/сек. Изящные внешние формы тунца привлекли внимание гидродинамиков, которые установили ряд интересных фактов. Как сообщает С. В. Першин, профиль у тунца приближается к ламинаризованному даже при малом относительном удлинении тела (отношении его длины к максимальному поперечному размеру) около 3,6. Есть основание полагать, что два ряда дополнительных малых плавников за миделем (срединным сечением) тунца образуют гидродинамическую решетку, предназначенную для управления потоком в диффузорной части, где он поступает на хорошо сформированный природой мощный хвостовой плавник.

По известным данным стационарных продувок в аэродинамической трубе серии симметричных профилей, полученных из круга обобщенным конформным отображением, 28%-ный профиль обладает минимальным значением безразмерного коэффициента силы сопротивления (при числе Рейнольдса Re = 4-105, выраженном через наибольшую толщину профиля). У более тонких профилей увеличение сопротивления, трения с избытком компенсируется уменьшением сопротивления давления. Для более толстых профилей снижение сопротивления трения меньше, чем повышение сопротивления формы.

Перейдем к гидродинамике китообразных. Отдельные представители этого класса обладают разной скоростью передвижения. Наиболее быстро передвигаются дельфины: белобочка, афалина и другие. Литературные данные о максимальных скоростях плавания дельфинов несколько противоречивы. Достоверной, по-видимому, можно считать максимальную скорость плавания свыше 32 узлов (12–16 м/сек). Дельфины являются чемпионами в классе китовых по прыжкам из воды в высоту: зарегистрированы прыжки свыше 6 м над поверхностью воды. Гидродинамический анализ формы тела дельфинов показывает, что у них, как и у тунцовых рыб, наблюдаются ламинаризованные формы при числе Рейнольдса порядка 107. Правда, для крупных китов, таких, как синий финвал, ламинаризованные формы корпуса нехарактерны.

Любопытен установленный в гидродинамике факт сходства профилей некоторых видов скоростных китообразных с расчетными аэродинамическими профилями. Рассмотрим некоторые вопросы гидродинамики беспозвоночных. Одним из замечательных механизмов движения водных беспозвоночных является гидрореактивный двигатель. Вода, заключенная в пространство под куполом медузы, мышечным усилием выталкивается наружу, сообщая тем самым телу животного толчок в противоположную сторону. Стадия толчка сменяется стадией заполнения купола водой и так, толчками с частотой повторения от 1 до 10 раз в минуту, медуза перемещается в водной среде.

Значительно лучше развит этот вид движения у головоногих моллюсков: кальмаров, осьминогов, каракатиц. Так, некоторые виды кальмаров, используя водометный движитель, могут выпрыгивать из воды на значительную высоту (более 1 метра) и планировать в воздухе. Все головоногие имеют очень своеобразное устройство пульсирующего гидрореактивного движителя, служащего для скоростного перемещения. Вода набирается в мантийную полость через кольцевое отверстие в хвостовой части тела. Полость плотно закрывается хрящевым замком. Мышечным импульсом, сокращающим брюшную мускулатуру, моллюск выбрасывает воду через профилированное поворотное сопло, чем и создается импульс силы тяги.

Максимальная скорость передвижения кальмара более 15 м/сек. При быстром перемещении голова и щупальца кальмара плотно складываются вместе для лучшего обтекания водой. Тело головоногого моллюска мягкое, упругое, может существенно деформироваться. Его окаймляют ромбовидные плавники, которые играют роль продольных килей, хорошо стабилизирующих движение и позволяющих маневренно изменять курс и глубину. Эти же самые плавники используются при медленном перемещении кальмара: они периодически изгибаются в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Правда, биологи отмечают, что одновременно при этом работает и реактивный движитель кальмара. Однако его участие в создании тяги при малой скорости движения кальмара очень незначительно. Он выполняет не столько локомоторную, сколько насосную функцию и служит для прогона чистой воды через жабры, где из воды отбирается кислород.

При медленном движении кальмар плывет слабыми толчками, определяемыми работой гидрореактивного движителя с частотой повторения выбросов = 1-2 импульса в секунду. С увеличением скорости и соответственно силы толчков их частота достигает 5 импульсов в секунду и более.

Естественно, что в краткой характеристике гидродинамических аспектов бионики моря не могут быть исчерпывающе изложены основные свойства и структурные характеристики механизмов движения водных животных. Подробности читатель может найти в литературе. Следует только сказать, что многие работы этого плана далеки от завершения, что, впрочем, не мешает уже сейчас сделать некоторые предварительные выводы.

Нетрудно установить, что в отличие от существующих технических средств водного транспорта, у всех подводных обитателей функции двигателя и движителя совмещены в одном мышечном механизме без промежуточных звеньев, что способствует эффективной отдаче энергии при движении, высокой гибкости системы в целом, ее высокой надежности.

Комплексные исследования гидробиологов и гидродинамиков позволили установить, что такой параметр, как относительное удлинение тел скоростных водных животных – тунцовых, китообразных и других – в 1,5 раза меньше расчетного оптимального удлинения твердых тел, движущихся в воде. Это определяется, по-видимому, спецификой механизма волнообразного движения гибких тел этих животных в воде.

В отличие от подавляющего большинства технических средств плавания для движения водных животных характерен в основном нестационарный, цикличный характер, определяющийся специфической работой системы «двигатель – движитель».

Для водных животных характерно использование гибких и динамичных средств уменьшения гидродинамического сопротивления воды и управления пограничным слоем с целью его ламинаризации: изменение площади плавников, управление формированием пограничного слоя между телом и средой и ряд других механизмов.

Некоторые результаты использования современных знаний о динамике водных животных будут изложены в одном из последующих разделов этой главы.

Предыдущая глава: Гидродинамические аспекты бионики

Следующая глава: Гидроаэродинамика морских организмов