МИСТЕРИЯТА НА ПЛУВАЩИТЕ РИБИ, Наука и живот
Доктор на физико-математическите науки В. МЕРКУЛОВ.
Изминалият двадесети век има огромни постижения в областта на хидродинамиката. Теоретичните, изчислителните и експерименталните методи позволяват да се реши всеки научен и практически проблем на хидродинамиката. Има обаче един проблем, върху който много научни екипи работят безуспешно и който почти непроменен премина в 21 век. Това е проблемът с намаляването на хидродинамичното съпротивление.
За да преценим правилно потенциалните възможности в тази посока, нека се обърнем към шампиона по гмуркане - рибата меч. Възрастен от тази голяма и много силна риба расте до четири метра дължина и наддава на тегло до половин тон. Горната й челюст е удължена в дълъг мечовиден израстък - рострума. Биолозите смятат, че това странно образувание е оръжие, използвано от рибите меч за зашеметяване на плячка, като нахлуват в стада скумрия и риба тон.
В Съединените американски щати риболовът на меч е национален спорт. Те ловят риба меч на въртяща се въдица, а за рибаря има чудесна възможност инструментално да определи нейната скорост.
Според публикации рибата меч може да достигне скорост до 130 км/ч. Украински учени направиха модел на риба меч, окачиха го на моторна лодка и определиха устойчивостта на модела и мощността, необходима за движение. По отношение на скоростта и размера на рибата моделът изпитва съпротивление от 4000 N (408 kgf) и изисква мощност от 100 к.с. за движението си. (73,6 kW)!
Лесно е да се разбере, че такива параметри са недостижими за рибите и следователно законите на хидродинамиката позволяват движение с много по-малко съпротивление, отколкото е реализирано във всички наши модели. Това означава, че е напълно възможно да намалим съпротивлението и опитите ни в тази посока няма да успеят.в противоречие с физичните закони.
В допълнение към горните експериментални данни могат да бъдат дадени някои теоретични съображения, които доказват възможността за значително намаляване на съпротивлението.
Според закона на Нютон тангенциалното триене във вискозна течност е равно на произведението на вискозитета и градиента на скоростта (градиентът показва колко бързо се променя дадено количество при движение на единица разстояние). За надлъжен поток около плоча градиентът на скоростта е обратно пропорционален на корен квадратен от вискозитета. Така тангенциалното триене в този случай се оказва пропорционално на корен квадратен от вискозитета. В същото време за потока в пръстеновидната междина градиентът на скоростта не зависи от вискозитета и тангенциалното триене е пропорционално на първата степен на вискозитет. Ако вземем предвид, че динамичният вискозитет на водата е от порядъка на 10 -6, тогава тангенциалното триене за плочата и същата повърхност в пръстеновидната междина ще се различава хиляда пъти.
Пример за външен поток с малък градиент на скоростта е движението на тороидален вихър по неговата собствена ос на симетрия. При изчисленията областта на потока е разделена от определена сфера на две части: външен невисциден поток извън сферата и вътрешен вихров поток вътре в сферата.
На границата тангенциалната скорост на двата потока е една и съща, така че външният поток има нулево съпротивление. Вътрешният пръстеновиден поток, поради своите ограничения, има съпротивление на триене, пропорционално на първата степен на вискозитет. Именно това свойство обяснява удивителната способност на пръстеновидния вихър да се движи бързо и надалеч във въздуха. За да се използват удивителните свойства на пръстеновидния вихър за практически цели, е необходимо да се възпроизведат потоците в него върху някакво тяло.
Всяка повърхнина, съставена от линии на тока, може да се разглежда като повърхност на някакво тяло. Вътре в пръстеновидния вихър има много повърхности, които могат да се считат за вложени една в друга тори (всъщност това е плътно навита спирала). Поставянето на тяло с подходяща форма вътре във вихъра ще поддържа поток навън с нулево съпротивление само ако компенсираме забавянето на потока, създадено от повърхността на тялото.
В морската вода необходимите сили могат да бъдат създадени от постоянни електрически и магнитни полета.
За да направите това, трябва да сглобите структура под формата на тор от редуващи се пръстеновидни магнити и електроди. Техните полюси създават взаимно перпендикулярни електрически и магнитни полета, които ще принудят електропроводимата течност да се движи около повърхността на тора, създавайки телесна сила, която компенсира забавянето на потока.
Както показаха изчисленията, при сила на магнитното поле на полюсите от една тесла, постижима с помощта на постоянни магнити, за движението на тор с диаметър 2 m със скорост 10 m/s е необходима електрическа мощност от 300 W. Това е сто пъти по-малко от това, което е необходимо за теглене на плоча с еквивалентна площ (въпреки факта, че електрическата ефективност с тези параметри е само 6%).
Силата на тялото може да се създаде само в електропроводима течност. В прясна вода и още повече във въздуха тази възможност отсъства. Следователно е от интерес да се разгледат потоци с малък градиент, създаден поради деформация на границата съгласно закона за пътуващата вълна.
За разлика от потока по фиксирана граница, когато се образува граничен слой с голям градиент на скоростта, пътуващата вълна пренарежда потока в периодична структура с малък градиент на скоростта. За някои стойностифазовата скорост и амплитудата на пътуващата вълна, общото триене изчезва. Естествено възниква въпросът на каква цена се постига този резултат. Загубите на енергия се състоят от два елемента от различно естество. Първият е загубата на вискозитет в течността. Тъй като градиентът на разглеждания поток е малък, тези загуби, които са пропорционални на вискозитета, се оказват много малки. Вторият термин е загубата на най-еластичното покритие. При резонансни вибрации на материала в потока на течността основната, а не малка, енергия трябва да се изпомпва от еластичната форма към кинетичната. Друга част от енергията се разсейва в материала. Тези загуби могат да бъдат компенсирани или от енергията на потока, което ще доведе до пропорционално увеличаване на съпротивлението, или от външен източник на енергия.
Отделно стои въпросът за механизма и енергията, необходима за първоначалното образуване на вихри. С подходящ избор на еластични параметри е възможно да се гарантира, че движещата се вълна се възбужда в носовата част от енергията на външния поток, а в кърмовата част вълната изчезва, връщайки енергията на потока.
Нека сега се обърнем отново към рибата меч, с която започна историята.
Имайте предвид, че друг добър плувец, полярният делфин нарвал, има подобна форма и, както предполагаме, подобен механизъм за намаляване на съпротивлението. Интересна подробност: горният ляв зъб на мъжкия нарвал се развива в спираловидно усукан бивник с дължина до три метра, подобен на трибуната на риба меч. Предназначението му е неясно. Не са ли те тайната на бързото и икономично плуване на рибата меч и лъжеца?
Нашата хипотеза е, че трибуната и бивникът служат като генератори на вихри. Проучванията показват, че когато тече около тънко гладко тяло, не възникват спираловидни вихри. В потока се образува граничен слой, който се откъсваточно зад тялото, създавайки мощни завихряния. Налягането в тях пада, упражнявайки спирачен ефект върху тялото. Същото тяло, но с грапава повърхност, смущава граничния слой, превръщайки го във вихров (турбулентен) поток. Последващото действие на тези вихри е лесно да си представим. Те се придвижват от трибуната към тялото на риба или делфин, където възстановяват граничния слой в същия периодичен поток, както прави пътуващата вълна, с всички произтичащи от това последствия.
Меркулов В. И. Хидродинамика позната и непозната. - М., 1989.
Симрей А. Г. Кораб. Неговото минало, настояще и бъдеще. - М., 1967.