Летать как птицы, плавать как рыбы. Продолжение.
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В реках, озерах, морях и океанах живет около 12 тысяч видов рыб. Все они превосходные пловцы. Если творения рук человеческих — самолеты и ракеты — далеко обогнали птиц по скорости и высотности полетов, то в водной стихии рыбы пока прочно удерживают первенство по всем показателям. Многие виды рыб способны двигаться быстрее любых кораблей, в том числе надводных, а уж насчет маневренности и говорить не приходится.
В Кенсингтонском музее (Англия) хранится кусок дубового корабельного шпангоута, покрытого слоем картона и обшитого медью. Этот шпангоут насквозь пробит страшным «кинжалом» меч-рыбы. Покойный академик А. Н. Крылов подсчитал, что для такого удара рыба должна была иметь скорость 90—100 километров в час. Если так, то интересно произвести дальнейшие подсчеты. Для получения скорости 100 километров в час меч-рыба должна преодолеть гидродинамическое сопротивление, равное 135—140 килограммам, то есть развить тягу такой величины. А это значит, что ее хвост отбрасывал в секунду примерно 45—50 литров воды!
Справедливости ради отметим, что рыбам все-таки легче приспособиться к условиям обитания, чем птицам. Их ведь окружает только одна, притом более или менее однородная по составу и температуре среда. А птицы живут и на земле, и на деревьях, и на воде, и в воздухе. Так вот, рыбы приспособились к своей среде обитания, можно сказать, идеально. Однако в чем конкретно состоит приспособленность рыб к жизни и движению в воде, ихтиология, по-моему, выявила еще не до конца. А это чрезвычайно интересно.
Взять хотя бы такой поразительный факт. Обмеры и взвешивание самых различных рыб дают один и тот же результат: удельный вес получается весьма близким к единице. Это справедливо и для громадной акулы и для крохотнее малька. Но по закону Архимеда равнодействующая сил давления тяжелой несжимаемой жидкости на погруженное в нее твердое теле направлена по вертикали кверху и эта сила равна весу жидкости, вытесненной телом. И выходит, что вес вытесненной воды в точности равен весу рыбы. Отсюда прямой вывод: любая рыба в воде невесома!
Стало быть, рыбы — это своеобразные «космонавты» водной стихии, они давным-давно освоили управление телом в состоянии невесомости, которое человеку еще предстоит освоить. Правда, для рыб задача перемещения в воде в 800 раз проще, чем будет для межпланетных путешественников в атмосфере ракеты, ибо во столько раз плотнее среда. Зная о невесомости рыб в воде, можно правильно объяснить такие вещи, как длительные «стоянки» некоторых рыб без малейших движений плавниками, как стремительный старт с поворотом в любом направлении и многое другое.
Хорошо известно, что рыба благодаря своим отличным гидродинамическим формам испытывает минимальное возможное сопротивление воды. И однако, нельзя объяснить стремительность и легкость движения рыб только этим обстоятельством, как делают до сих пор. Не может быть сомнений, что огромную роль при движении рыбы играют чешуя и жабры.
У большинства рыб пластинки чешуи покрыты стекловидным слоем эпидермиса и слизью. Они не только хорошо скользят в воде, но и, подобно оперенью птиц, организуют ламинарный пограничный слой воды при движении рыбы. Но, пожалуй, еще большее значение имеют жаберные щели. В курсах зоологии и ихтиологии единодушно утверждается, что жабры служат рыбам для дыхания. Это, несомненно, но опять-таки неполно.
Посмотрим, как действуют жабры у рыб. С. В. Аверищев в курсе зоологии дает ясную и точную картину: «Когда кожные складки, прикрывающие жаберные щели, несколько приподнимаются, действуя как клапаны присасывающего насоса, вода из ротовой полости устремляется внутрь жаберных щелей, отдавая растворенный кислород жаберным листочкам. После того, как жаберные щели открываются, вода из них устремляется наружу. В этом процессе участвует мускулатура ротовой полости и глотки…»
Итак, жаберные щели непрерывно выбрасывают тонкие и сильные струи воды вдоль тела рыбы по направлению к хвосту. Все специалисты (и не только специалисты) прекрасно это знают, но никому до сих пор не пришло почему-то в голову дать надлежащую оценку явлению. А оценка напрашивается сама собой: жабры сдувают пограничный слой, содействуя ламинарному обтеканию рыбьего тела. Вспомните описанное в предыдущей статье приспособление для сдува пограничного слоя с самолетных крыльев — и аналогия станет предельно ясной.
Чтобы полнее показать громадное значение жабр для движения рыбы, надо припомнить, что в гидродинамике называют присоединенной массой. Двигаясь в вязкой жидкости (а вода имеет определенную вязкость), тело по закону трения увлекает с собой некоторый близлежащий объем жидкости. Масса этой жидкости как бы присоединяется к массе тела, и на ее бесполезное перемещение приходится тратить дополнительную энергию. Теория дает возможность подсчитать присоединенную массу для тел различной формы. Например, присоединенная масса движущегося в жидкости шара составляет половину массы жидкости в объеме этого шара. Нетрудно сделать вывод, что чем меньше окажется присоединенная масса, тем легче телу передвигаться. Так вот, работа жабр помогает рыбе избавляться и от присоединенной массы. И это — в дополнение к тому, что обтекаемые формы рыбы и без того удерживают вокруг тела весьма малый объем воды. Наконец, выбрасывая струи воды назад, жабры создают реактивную силу, которая в полном согласии с третьим законом Ньютона толкает рыбу вперед, опять-таки помогая движению.
Есть у рыб еще один орган, назначение которого изучено до сих пор недостаточно. Я имею в виду так называемый плавательный пузырь, имеющийся у костистых рыб, обитающих на небольших глубинах. Установлено, что пузырь этот не сообщается с внешней средой, а наполняющие его газы выделяются из крови. Назначение пузыря описывается в учебниках зоологии таким образом. Когда рыба желает опуститься поглубже, ее боковые мышцы сокращаются, сжимают стенки пузыря. Общий объем рыбы от этого уменьшается, удельный вес увеличивается, и рыба «тонет». При необходимости всплыть мышцы расслабляются, и пузырь в силу упругости газов увеличивается в объеме. Удельный вес уменьшается, и всплывает.
Против такого толкования свидетельствует наш вывод о невесомости рыб в воде и прямые наблюдения. В самом деле, просидите возле аквариума хоть год — вы не увидите, чтобы рыба «тонула» или всплывала в горизонтальном положении, не работая плавниками. Так не бывает. Желая уйти в глубину, рыба при помощи грудных и брюшных плавников наклоняет тело книзу, а затем с помощью хвоста продвигается вперед. Точно так же, но в обратном порядке действует рыба при всплытии.
Поэтому мое предположение состоит в том, что пузырь лишь помогает рыбе сохранять форму тела под давлением окружающей жидкости — ту форму, которая так нужна для хорошей обтекаемости. Возможно также, что пузырь регулирует удельный вес рыбы, но не в сторону его изменения относительно среды, а как раз для уравнивания с плотностью окружающей жидкости. Когда рыба оглушена, эта автоматическая микрорегуляция нарушается и рыба всплывает или тонет.
Можно вспомнить в связи с этим, что глубоководные рыбы вообще лишены пузыря — и тем не менее умеют опускаться и подниматься в пределах своей зоны обитания. Так что для рыбьего пузыря во всяком случае не подходит слово «плавательный».
НЕ ПОДРАЖАТЬ, НО…
— Что же предлагает автор! — возможно, спросит читатель.— Строить самолеты в перьях или подводные лодки с жабрами!
Пока об этом речь не идет. Думаю, что пристальное изучение живой природы окажет влияние и на будущие летательные аппараты (скажем, вертолеты, орнитоптеры) и на подводные корабли. Один из примеров влияния анатомии птиц на мысль конструктора — самолет на подводных крыльях.
Однако писать обо всем этом нужно отдельно. Мне хочется напомнить совсем о другом. Человеку не дано сегодня летать при помощи мускульной силы; не очень уверенно чувствует он себя и в воде. Но все-таки люди пускаются в небольшие полеты и забираются под воду. Вспомните горнолыжников, совершающих 80-метровые прыжки-полеты, понаблюдайте за любителями акваланга или прыгунами в воду с вышки. Это не все: в послевоенные годы широко распространился особый вид парашютного спорта — управление телом в воздухе во время свободного падения. Парашютисты научились выполнять такие, например, упражнения: отделившись от самолета, принять горизонтальное положение, расположиться лицом к выложенному на аэродроме кресту; через десять секунд проделать спираль, то есть описать полный круг; еще через десять секунд выполнить спираль в противоположную сторону, затем раскрыть парашют. Это уже почти птичий полет, не правда ли!
Наконец, есть еще кое-что, достойное размышлений. Почему, скажем, прыгуны с шестом не могут перевалить пятиметровый рубеж! Где предел для обычных прыжков в высоту! Нельзя ли создать какой-нибудь совершенно новый, сверхбыстроходный стиль плавания! Как группироваться в воздухе, чтобы в тройном прыжке «улететь» дальше 17 метров! Мне кажется, что изучение аэро- и гидродинамики живой природы поможет вдумчивым тренерам и спортсменам повысить свои результаты — особенно в беге, прыжках, лыжном спорте, плавании.
И наконец, последнее. Проблема полета человека на крыльях не кажется мне абсолютно безнадежной. Конечно, «крылатые люди» — пока фантазия. Но возможно, что наши молодые современники получат мускульные крылья — сперва для прыжков с высоты, в высоту и длину. А когда-нибудь прыжки перерастут в полеты…
Автор: Г. Балыков.