image_printПечать/PDF

как рыбы плаваютРыбы и некоторые водные животные могут управлять эффективностью перемещения и питания в воде. Кратко поговорим о том, как они это делают

Иногда кажется, что рыбы очень легко перемещаются в воде. Даже когда они двигаются по инерции, может показаться, что они не сбавляют скорости. Однако законы физики и конкретно гидродинамики всё равно решают, как вода обойдёт рыбу. Это определяет энергию, которую рыба должна расходовать на движение. Рыбы и прочие водные животные должны не только бороться с отталкиванием воды, но и с проталкиванием себя через эту несжимаемую жидкость. Несмотря на сложность тел и сред, рыбы сумели создать чрезвычайно эффективные средства управления потоком и разработать способы наиболее экономичного продвижения в воде.

У рыб мы можем наблюдать пассивное и активное управление потоком. Пассивные механизмы управления включают в себя форму тела и текстуру поверхности, которые изменяют воздействие потока на тело рыбы и уменьшают сопротивление. Для активного управления есть плавники. Они регулируют движение воды, отбрасывая её виде завихрений или вихрей.

Сопротивление и тяга

В условиях постоянной скорости плаванья тяга и сопротивление должны уравновешивать друг друга. А чтобы плавать хорошо, рыбы должны уметь снижать сопротивление и увеличивать тягу. Естественно, количество создаваемой тяги увеличивает затраты энергии. Когда рыба толкает воду, она передаёт кинетическую энергию своего тела воде. Сопротивление скрадывает энергию, что замедляет рыбу, если этому сопротивлению не противодействуют силы от движения мышц.

Сопротивление возникает за счёт силы трения и давления, как результат взаимодействия воды и тела рыбы. Сопротивление трения вызывается трением между кожей и тонким слоем жидкости в непосредственной близости от тела, называемым пограничным слоем. Вода, соприкасающаяся с кожей, прилипает к ней без скольжения из-за вязкости или «липкости» воды. Общее действие можно сравнить со сдвигом верхней части колоды карт, где нижняя карта остаётся неподвижной во время смещения верхней карты, а все карты между ними слегка смещаются. То есть пограничный слой обладает энергией, которая удерживает поток на поверхности тела. Однако сдвиг при трении в пограничном слое даёт потерю энергии в виде сопротивления.

Чтобы уменьшить сопротивление, рыба выделяет слизь по всему телу. Слизь состоит из комбинации липидов и белков, многие из которых содержат длинные цепочки молекул, а некоторые могут действовать как поверхностно-активные вещества, снижая поверхностное натяжение жидкости. Таким образом, слизь снижает вязкость воды вокруг рыбы. Как раз поэтому многие рыбы в рывке могут развивать большие скорости.

Другой тип сопротивления — сопротивление давлением. Он зависит от формы тела в потоке. Для лучшего понимания стоит обратиться к принципу Бернулли, который описывает гидродинамическую связь между давлением и скоростью жидкости. Согласно этого принципа, давление и скорость обратно пропорциональны, поэтому по мере уменьшения скорости давление увеличивается и наоборот.

как рыбы плавают

Воздействие воды на переднюю часть тела замедляет поток, что увеличивает давление — это лобовое сопротивление. Для лучшего понимания можно вспомнить, как руку отталкивает назад, если её высунуть из окна движущегося транспорта. А поскольку вода повторяет контуры тела, она ускоряется и, тем самым снижает давление. Перед выбросом в след (за движущийся объект) поток снова замедляется с увеличением давления, но не в такой степени, как в передней части тела. Разница давлений вокруг тела даёт дисбаланс сил и приводит к сопротивлению давления.

Физическим и видимым проявлением сопротивления давлением будет ширина следа: узкий след показывает меньшее сопротивление давлением, чем широкий след. Широкий след дополнительно обусловлен взаимодействием изменений давления и пограничного слоя. Если энергии в потоке пограничного слоя недостаточно для поддержания направления потока, изменения давления вызовут преждевременное отделение пограничного слоя от поверхности тела. Это приводит к образованию вихрей, увеличению завихрения и более широкому следу. Таким образом, сопротивление сводится к минимуму, особенно если жидкость, движущаяся по поверхности тела, остаётся прикреплённой.

Сопротивление потоку контролируется в основном за счёт формы тела. Если посмотреть на рыб, то со всех сторон они будут иметь каплевидную форму или что-то близкое. Именно такая форма даст самое низкое сопротивление на единицу объёма. Здесь перепады давления минимальны, а пограничный слой остаётся прикреплённым, сохраняя узкий след.

Поверхность тела

Может показаться, что гладкая поверхность поможет уменьшить сопротивление. Но на самом деле шероховатая поверхность контролирует поток и уменьшает сопротивление более эффективно. Потому что текстурированная поверхность может создавать турбулентность в области пограничного слоя. И хотя эта турбулентность увеличивает сопротивление трения, она даёт больше энергии в пограничный слой. Вдобавок энергия от турбулентности стабилизирует пограничный слой, позволяя ему преодолевать изменения давления.

Стоит почитать:  Действительно хищный карп

Благодаря появлению турбулентности, пограничный слой с меньшей вероятностью отделится от тела и увеличит сопротивление давлению. В человеческом мире этот принцип используется в мячах для гольфа, чья поверхность не гладкая, но покрыта мелкими ямками. В итоге такие мячи летят быстрее и дальше гладких. Поскольку ямки создают ту самую турбулентность у поверхности мяча и производимая энергия задерживает отрыв потока, сужая ширину следа.

У рыб на поверхности тела имеется множество сложных структур, которые могут действовать точно как ямки на мяче для гольфа. Многие костистые рыбы покрыты мелкой ктеноидной чешуёй, названной так в честь небольших зубчиков или зубчатых выступов на заднем крае чешуйки. Например, окунь шершавый как раз благодаря такому устройству чешуи. Эти зубчики могут изменять поток в пограничном слое. Однако, до сих пор проводилось очень мало исследований гидродинамики чешуи. По крайней мере, для большинства рыб. Зато неплохо исследована чешуя акул с очень характерными и выразительными зубчиками.

чешуя акулы

Исследования показали, что зубчики акульей чешуи увеличивают скорость плавания, поскольку после удаления зубчиков кусочки кожи (исследование проводилось на кусках кожи, а не целых рыбах) плавают медленнее из-за более гладкой поверхности. Увеличение скорости плавания при наличии зубчиков может быть результатом уменьшения сопротивления, так как зубчики создают турбулентный пограничный слой.

как рыбы плавают

Но экспериментальные данные о распределении потока воды по коже акулы также предполагают, что зубчики изменяют поток таким образом, чтобы усилить тягу. Прохождение потока через гибкие мембраны из кожи акулы показывает, что рядом с поверхностью образуется вихрь. Этот вихрь содержит область низкого давления, которая усиливает давление, создаваемое поверхностью тела. Когда зубчики удаляются, вихрь на передней кромке перемещается дальше от поверхности, и влияние всасывания под низким давлением на тягу уменьшается.

Движение вперёд

Движение требует, чтобы водные животные создавали тягу, ускоряя массу жидкости, что может быть достигнуто за счёт действий самого тела, от придатков, вроде плавников или ласт, или путём выброса жидкости струями.

Ускоренная жидкость имеет форму вихревых колец с центральной струёй — то же самое, что и дымовые кольца. Для демонстрации движения медуз использовали инъекцию красителя для визуализации пульсирующего выброса жидкости вслед за кальмарами и осьминогами. Двигательные действия медузы и кальмаров, как оказалось, создают серию отчётливых вихревых колец, струя которых направлена ​​прямо за животным, как кольца дыма.

Извивающееся тело рыбы производит большую часть завихренности, которая распространяется по её следу. Действие хвоста, когда он достигает максимального отклонения в сторону, превращает завихрённость в вихрь. По мере того, как вихрь уносится к рыбе, формируется новый вихрь с противоположным направлением вращения, когда тело изгибается, а хвост меняет направление.как рыбы плавают

Чередующиеся вихри связаны трёхмерно. Непрерывные боковые волны тела и хвоста образуют след в шахматном порядке из взаимосвязанных вихревых колец. Эти вихревые кольца создают струйный поток, направленный в сторону и назад, проходящий через центр колецРеактивный поток создаёт тягу, преодолевая сопротивление тела.

Оптимальная тяга и эффективность могут быть достигнуты за счёт управления формой и периодичностью вихрей в следе. Создание эффективного струйного течения вслед за рыбой возможно в узком диапазоне того, что называется числом Струхаля. Эта мера представляет степень неустойчивости потока, которая доминирует в динамике следа. Этот безразмерный параметр является произведением частоты и бокового смещения хвостового плавника, образующего вихри, делённого на скорость животного.

Число Струхаля имеет максимальную эффективность в диапазоне от 0,2 до 0,4. Рыба и китообразные часто остаются в пределах этого оптимального диапазона и при этом достигают более высокой эффективности, чем стандартные гребные винты в кораблях. Но не все водоплавающие животные оказываются отменными пловцами. Например у аллигаторов число Струхаля выше оптимального диапазона. То есть снижена эффективность и двигательные способности по сравнению с более специализированными пловцами.

Изменения «походки» у водных животных происходят с разной скоростью, фазами ускорения и маневрирования.

Работа, проведённая на синежаберном солнечнике, показывает, что эти рыбы используют различные комбинации плавников для движения в зависимости от скорости плавания. На малых скоростях они используют только свои парные грудные плавники (расположенные с каждой стороны рыбы рядом с головой) для создания толчка. А на более высоких скоростях эти рыбы подключают дополнительные плавники (хвостовой, анальный и спинной) для создания большей движущие силы.

Стоит почитать:  Щука. Размерная иерархия, каннибализм, воровство еды и прочие шалости

как рыбы плавают

Изменение «походки» отражает ограничения на создание тяги грудными плавниками. Плавники образуют двойное вихревое кольцо с центральной струей, ориентированной в сторону. Это способствует контролю и равновесию на низких скоростях. По мере увеличения скорости струя ориентируется более горизонтально. Это увеличивает стабильность, но ограничивает производство тяги.

Переход к непарным плавникам и волнистости тела позволяет передавать воде больше импульса вниз по течению. В отличие от изменений походки синежаберников, рыбы семейства Живородковых используют другую стратегию по мере увеличения скорости и могут продолжать использовать свои грудные плавники в широком диапазоне скоростей плавания, не подключая другие плавники. По мере того, как живородковые ускоряются, взмахи их грудных плавников постепенно изменяют грудные вихревые кольца, чтобы направить поток центральной струи прямо вниз по течению и, следовательно, создать тягу.

Экономия

Возникновение завихрённости — неизбежное следствие движения в текучей среде. Избыточная завихрённость следа представляет собой значительную потерю энергии для плавающих животных. Но животные могут плавать более эффективно, если они могут извлекать энергию из закрученных вихрей. Поскольку энергия является ограниченным ресурсом, который может повлиять на выживание и репродуктивные усилия животного, гидродинамические механизмы, возвращающие энергию, предназначенную для энтропии следа, имеют адаптивные преимущества.

Водные животные часто путешествуют в составе высокоорганизованных образований — стай. Выстраивая себя по определённому шаблону, члены группы могут воспользоваться шаблонами потока, созданными другими, чтобы уменьшить сопротивление и улучшить характеристики передвижения.

как рыбы плавают

Вихри, создаваемые ведущими особями, проходят назад и ударяют по следующим особям. Если плывущее животное ориентировано параллельно и движется в том же направлении, что и тангенциальная скорость вихря, у тела будет уменьшаться относительная скорость, что снижает сопротивление. Завихрённость передаётся за пассивным телом в виде двух рядов вращающихся в противоположных направлениях вихрей (которые называют вихревой дорожкой Кармана в честь Теодора фон Кармана), где оптимальное положение для снижения лобового сопротивления находится непосредственно за ведущей частью.

Рыба может сохранять позицию за цилиндром, создавая вихревую дорожку. Плавно перемещаясь между вихрями, оставаясь в следе за объектом, рыба может уменьшить сопротивление и даже получить толчок вперёд. Форель может плавать между вихрями с очень небольшой активностью мускулатуры тела. Это снижение мышечной активности при плавании убедительно свидетельствует о том, что рыба значительно экономит энергию по сравнению с перемещением в свободном потоке.

как рыбы плавают

Хотя вихри похожи на вихревую дорожку Кармана, вихри, создаваемые виляющим хвостом плавающей рыбы, вращаются в противоположном направлении. Это вихревая система тягового типа. В этой системе импульсная струя направлена ​​прямо за рыбой. Животное, которое следует сразу за рыбой, испытает повышенную скорость потока с сопутствующим увеличением сопротивления.

В итоге оптимальная конфигурация косяка рыб представляет собой ромбовидный узор с плывущей рыбой за пределами вихревой дорожки. В этом положении плывущая рыба использует вращение вихря. Поскольку ведущая рыба покидает два ряда вихрей на своём пути, завихрённая жидкость имеет направленный вперёд компонент в стороне от рыбы. Следующие рыбы используют направленную вперёд скорость вихря, плывя сбоку от вихревой дорожки. Поскольку плывущая рыба движется в том же направлении, что и тангенциальная скорость, её относительная скорость меньше, чем скорость плавания косяка, поэтому сопротивление отдельной рыбы уменьшается. Рыбы, выстроенные в форме ромба, испытывают уменьшение силы, создаваемой при плавании, в четыре-шесть раз.

Маленькие китообразные часто располагаются сбоку и немного позади максимального диаметра более крупного животного. В этом положении меньший индивидуум получает энергетическую выгоду. Этот эффект особенно важен для молодых дельфинов, чтобы поддерживать скорость вместе с матерью. Поток, который проходит между их телами, вызывает силу притяжения из-за эффекта Бернулли, который увлекает младенца вместе с матерью. По оценкам Вейса, новорожденный дельфин мог использовать этот механизм для получения до 90% тяги, необходимой для движения рядом с его матерью. Хотя детёныши получают выгоду, более крупная мать будет испытывать повышенное сопротивление буксируемого потомства.

Устойчивость и маневренность

Каждое свободно плавающее животное требует манипулирования потоком для выполнения двух противоположных функций: устойчивости и маневренности. Стабильность способствует самокоррекции нарушений и поддерживает желаемое положение тела. Маневренность делает противоположное, позволяя контролируемой нестабильности создавать изменение направления, а также позволяя животному останавливаться и трогаться. Водные животные, которые подвешены в воде без твердой опоры, к которой можно было бы опираться, должны быть достаточно пластичными, чтобы делать и то и другое, но с экономией действий, чтобы не дестабилизировать всю их систему неконтролируемым образом. Морфологические добавки могут контролировать структуру потока для повышения стабильности и маневренности.

Стоит почитать:  Щуки в траве

Бартол и его коллеги исследовали рыбу кузовок-кубик (Ostracion cubicus), имеющего жёсткий костлявый панцирь. Эта форма ставит под угрозу контроль устойчивости, поскольку рыба не способна сгибать тело и вместо этого должна использовать комбинации движений плавниками. Эти дополнительные движения истощили бы энергию рыбы уже для того, чтобы стабилизировать тело и удержать положение в потоке воды. Однако панцирь снабжён структурами, называемыми килями, которые помогают пассивно стабилизировать тело. Кили расположены с каждой стороны брюшка. Вихри образуются, когда вода проходит мимо килей. Эти вихри создают силы всасывания, которые увеличиваются по мере того, как рыба наклоняется к потоку. Силы возвращают тело к более устойчивой ориентации.

как рыбы плавают

Хотя стабильность важна для плавания прямо или удержания позиции в потоке, маневренность может быть более важной, поскольку животные редко двигаются по прямой линии. Когда на кону жизнь, жертве необходимы сложные движения, чтобы перехитрить хищника или чтобы хищник повернулся достаточно быстро, чтобы поймать неуловимую добычу.

А что касается самого следа, оставляемого рыбой, он имеет некоторый побочный эффект. Прежде всего, следы позволяют хищникам охотиться более эффективно. Однако это сфера деятельности совсем другой системы — сенсорной


литература
  • Bartol, I. K., M. Gharib, P. W. Webb, D. Weihs and M. S. Gordon. 2005. Body-induced vortical flows: A common mechanism for self- corrective trimming control in boxfishes. Journal of Experimental Biology 208:327–344.
  • Fish, F. E. 2010. Swimming strategies for energy economy. In Fish Swimming: An Etho-ecological Perspective, ed. P. Domenici and B. G. Kapoor. Enfield, NH: Science Publishers, pp. 90–122.
  • Fish, F. E., H. Haj-Hariri, A. J. Smits, H. Bart-Smith and T. Iwasaki. 2012. Biomimetic swimmer inspired by the manta ray. In Biomimetics: Nature-Based Innovation, ed. Y. Bar-Cohen. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 495–523.
  • Fish, F. E. and G. V. Lauder. 2006. Passive and active flow control by swimming fishes and mammals. Annual Review of Fluid Mechanics 38:193–224.
  • Lauder, G. V. 2011. Swimming hydrodynamics: Ten questions and the technical approaches needed to resolve them. Experiments in Fluids 51:23–35.
  • Lauder, G. V., and E. G. Drucker. 2002. Forces, fishes, and fluids: Hydrodynamic mechanisms of aquatic locomotion. News in Physiological Sciences 17:235–240.
  • Liao, J., D. N. Beal, G. V. Lauder and M. S. Triantafyllou. 2003. The Kármán gait: Novel body kinematics of rainbow trout swimming in a vortex street. Journal of Experimental Biology 206:1059–1073.
  • Oeffner, J., and G. V. Lauder. 2012. The hydrodynamic function of shark skin and two biomimetic applications. Journal of Experimental Biology 215:785–795.
  • Peng, J., and J. O. Dabiri. 2008. The “upstream wake” of swimming and flying animals and its correlation with propulsive efficiency. Journal of Experimental Biology 211:2669–2677.
  • Phelan, C., J. Tangorra, G. V. Lauder and M. Hale. 2010. A biorobotic model of the sunfish pectoral fin for investigations of fin sensorimotor control. Bioinspiration and Biomimetics 5:035003.
  • Rohr, J., M. I. Latz, S. Fallon, J. C. Nauen and E. Hendricks. 1998. Experimental approaches towards interpreting dolphin-stimulated bioluminescence. Journal of Experimental Biology 201:1447–1460.
  • Tangorra, J., T. Gericke and G. Lauder. 2011. Learning from the fins of ray-finned fishes for the propulsors of unmanned undersea vehicles. Marine Technology Society Journal 45:65–73.
  • Tytell, E. D., I. Borazjani, F. Sotiropoulos, T. V. Baker, E. J. Anderson and G. V. Lauder. 2010. Disentangling the functional roles of morphology and motion in the swimming of fish. Integrative and Comparative Biology 50:1140–1154.
  • Vogel, S. 1994. Life in Moving Fluids, 2nd ed. Princeton, NJ: Princeton University Press.
  • Weihs, D. 1972. Semi-infinite vortex trails, and their relation to oscillating airfoils. Journal of Fluid Mechanics 54:679–690.
  • Weihs, D. 1973. Hydromechanics of fish schooling. Nature 241:290–291
image_printПечать/PDF