Борис Сергеев - Жизнь океанских глубин
Более способными летунами оказались рыбы. Их около 50–60 видов. Название «летучие рыбы» не совсем точно отражает сущность дела. Их правильнее было бы назвать «планирующими». Только пресноводные рыбы-бабочки способны к активному машущему полету.
Летучие рыбы невелики ростом, от 15 до 25–35 сантиметров. Даже гигантская летучая рыба не длиннее 50. «Летающие» рыбы имеют необычайно большие грудные плавники. У наиболее способных летунов они достигают 80 процентов от длины тела и содержат большое число лучей, обладающих повышенной жесткостью. Они располагаются вблизи центра тяжести рыб, но несколько сдвинуты вверх, что в полете придает телу известную устойчивость.
Чтобы оторваться от поверхности воды, рыбам необходимо набрать высокую скорость. Полурыловые рыбы в освоении воздушного пространства как бы остановились на полпути. Они держатся у самой поверхности воды и при любой опасности выскакивают из нее, но невысоко, что все же помогает спасаться от хищников.
Некоторые полурылы, выскакивая на поверхность воды, полностью от нее не отрываются. Нижняя, наиболее крупная лопасть хвостового плавника остается в воде, и рыба, энергично работая ею, стремительно скользит над поверхностью, как судно на подводных крыльях, покрывая расстояние до 70 метров. Особое устройство задней части позвоночника позволяет хвосту под действием собственной тяжести свешиваться вниз и работать в таком положении. Летучему длиннорылу это позволяет резко увеличить скорость и, оторвавшись от воды, покрыть в планирующем полете 50–60 метров.
Самые лучшие авиаторы — четырехкрылые летучие рыбы. У них две пары несущих плоскостей, образованных грудными и брюшными плавниками. Малый вес достаточно большого тела, используемого как несущая плоскость, и огромная нижняя лопасть хвостового плавника из жестко соединенных между собой лучей, дольше всего остающаяся в воде, помогают подняться в воздух.
Разгоняясь в воде, рыбы, чтобы уменьшить лобовое сопротивление, прижимают грудные и брюшные плавники к телу и раскрывают их в воздухе. Перед взлетом хвост совершает 50–70 взмахов в секунду, а скорость достигает 30–35 километров в час. Отрыв от поверхности происходит благодаря последним энергичным взмахам нижней лопасти, и в воздухе скорость возрастает до 60–70 километров в час. Полет обычно продолжается около 2 секунд, при этом рыба поднимается в воздух на 6–7 метров и способна покрыть расстояние в 50 метров. Иногда воздушное путешествие продолжается 15–30 секунд. Зоологи считают, что для полета необходим сильный попутный ветер или возможность время от времени восстанавливать постепенно падающую скорость. Действительно, рыбы многократно опускаются к поверхности, окунают в воду усиленно работающую нижнюю лопасть хвоста и вновь взмывают вверх. Это позволяет покрыть без малого полкилометра. Увы, полет такой длительности, к которому летучих рыб принуждают охотящиеся на них тунцы и корифены, не спасает их от гибели, так как хищники продолжают преследовать под водой, а в воздухе поджидают фрегаты.
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 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.
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.
