Здатність дельфінів стрімко і вільно плавати, пірнати у воду і вистрибувати на ходу з води люди спостерігають вже багато століть. Аристотель називав дельфінів «найшвидшими з тварин». Дослідники в процесі спостережень і експериментів визначали швидкість руху дельфінів. Було встановлено, що максимальна швидкість дельфінів у вільному плаванні знаходиться в межах 41-48 км / год. У Каліфорнійському океанаріумі відзначали випадки, коли швидкість косаток протягом невеликих проміжків часу перебувала в межах від 40 до 55 км / ч. Але цю швидкість можна вважати «крейсерській», так як навіть найшвидші дельфіни не можуть плисти з максимально високою для них швидкістю довше, ніж кілька хвилин. Плавання дельфіна з такою швидкістю можна умовно порівняти з ривком бігуна-спринтера на старті. А ось коли дельфіни пливуть біля передньої частини корпусу швидкохідного катера або есмінця, то їх швидкість може досягати 60-65 км / ч. Правда, в цих випадках швидкість дельфінів підтримується силою хвилі, утвореної корпусом корабля. Тиск гідродинамічного поля, створюваного йде кораблем, дельфіни сприймають своїми підшкірними м'язами і нервами і рефлекторно знаходять положення тіла, при якому опір води мінімально. Для того, щоб ефект впливу гідродинамічного поля відчувався дельфінами, корабель повинен йти з досить високою швидкістю (25-30 км / ч). У такій ситуації дельфін може плисти годинами, а іноді й цілодобово, не відстаючи від корабля.

Треба сказати, що вплив гідродинамічного поля дельфіни відчувають уже в «ранньому дитинстві». Справа в тому, що дитинчата дельфіна, особливо під час його годування, плаває поруч з маткою і інстинктивно вибирає таке положення щодо її тіла, при якому опір води найменше. Перебуваючи поруч з материнським боком, дельфінёнок економить сили і пливе пасивно, але так само швидко, як і мати за рахунок тиску поля, створеного її стрімким рухом.

Природа протягом багатьох тисячоліть шляхом природного відбору виробляла у дельфінів здатність наздоганяти свою здобич - швидкохідних риб. В результаті дельфіни придбали здатність стрімко рухатися по поверхні води, під водою і пірнати, швидко занурюючись в глибину, а також вистрибувати з води на велику висоту, часто рівну довжині тіла і навіть перевищує її. При цьому дельфіни можуть здійснювати стрибки і в довжину, в тому числі і при плаванні на спині. В процесі стрибка вони можуть також здійснювати поворот навколо осі свого тіла. Всі ці особливості руху дельфіни демонструють як у відкритому морі, так і в штучних басейнах.

Потрібно відзначити, що рух дельфінів у воді відрізняється великою динамічністю, тобто вони здатні швидко набирати швидкість і ще швидше гальмувати і зупинятися. Один потужний помах хвоста - і дельфін пропливає відстань, що дорівнює двом-трьом довжинам його тіла. Рухаючись із середньою для нього швидкістю (20-25 км / ч), дельфін ударом хвоста припиняє рух, виконавши «гальмівний шлях» довжиною всього в половину довжини свого тіла. Таке гальмування виходить настільки різким, що людиною воно сприймалося б як гідравлічний удар. Плисти дельфін може тільки вперед, «заднього ходу» він не має.

Вчені довго шукали відповіді на питання: як, чому і за рахунок чого дельфіни плавають так швидко?

Головним руховим органом китоподібних є хвіст, передня частина якого - це стислий з боків стебло, а задня - горизонтально розташовані хвостові лопаті. Хвостове стебло здійснює рухи вгору-вниз під дією потужних м'язів тулуба. Коли стебло йде вниз, хвостові лопаті повертаються вгору і навпаки. Обертального руху хвоста при плаванні дельфін не виробляє. Від частоти і амплітуди помахів хвоста і кутів нахилу хвостових лопатей залежить швидкість плавання. Хвостові лопаті виконують ще роль рулів повороту. Спинний однолопастний плавник служить пасивним стабілізатором, а парні грудні плавці діють в основному як рулі глибини. Про досконалість цього рухового механізму говорять і швидкість, і динаміка руху дельфіна в воді.

Захоплення стрімким рухом дельфінів було одним з перших вражень, отриманих людиною при спостереженні за цими тваринами. Однак у вчених, що займалися вивченням дельфінів, захоплення в кінці 30-х років XX століття змінилося ... здивуванням. Справа в тому, що англійський зоолог професор Джеймс Грей, який вивчав рух водних тварин, зробивши необхідні розрахунки, заявив, що дельфіни не повинні розвивати тієї швидкості, яку вони насправді розвивають. З урахуванням щільності води, яка в 800 разів більше щільності повітря, розмірів і маси дельфінів, найбільша швидкість, яку згідно гідродинамічним розрахунками можуть розвивати дельфіни, не може перевищувати 20 км / год. За розрахунками Грея виходило, що для досягнення швидкості в 40-50 км / ч, яку дельфіни мають фактично, сила їх м'язів повинна перевищувати звичайну мало не в 10 разів! Насправді ставлення сили до одиниці маси м'язи у китоподібних, в тому числі у дельфінів, приблизно таке ж, як і у всіх ссавців і не може змінюватися у великих межах. Крім того, якби м'язи володіли незвичайною силою, то дихальна і серцево-судинна система дельфінів не змогла б забезпечити працюючі м'язи киснем. Однак м'язам дельфінів, які працюють на «граничної потужності», цілком вистачає кисню. Така невідповідність теоретичних і фактичних можливостей китоподібних назвали парадоксом Грея.

Причини високої швидкості дельфінів стали шукати дослідники різних спеціальностей. Цікаву роботу з цієї проблеми провів конструктор ракет Макс Крамер, сподвижник відомого Вернера фон Брауна, творця ракети V-2 (ФАУ-2). При великих швидкостях повітря чинить опір який рухається предмету, майже порівнянне з опором води. Опір руху тіла в будь-якому середовищі визначається формою і швидкістю тіла. Тіло з гладкою поверхнею і добре обтічної формою відчуває найменший опір, так як середовище (вода, повітря) обтікає тіло спокійним, безперервним, ламінарним потоком. Навпаки, при поганій обтічності і шорсткості поверхні тіла оточуючий його потік отримає завихрення і зриви сплошности. Такий рух середовища називають турбулентним (по латині турбулентний означає бурхливий, безладний). Турбулентний потік викликає значно більший опір руху тіла, ніж ламінарний.

Крамер виготовив металеву модель, точно копіює форми і розміри дельфіна. Поверхня моделі ретельно відполірували. Але випробування моделі в гідродинамічному каналі показали, що і ця модель зазнає звичайне для твердого тіла опір, яке змінюється пропорційно квадрату швидкості. Значить, секрет полягає не в гладкості поверхні, у всякому разі, не тільки в цьому.

Вивчення будови шкіри дельфіна показало, що вона має два основних шару: еластичний зовнішній (епідерміс) і що лежить під ним пружний внутрішній (дерма з високими сосочками і жировим відкладенням).

Крамер правильно припустив механізм «роботи» шкіри дельфіна при його русі в воді. Суть його така: зовнішній шар шкіри вигинається і пружинить під тиском води в тих місцях, на які цей тиск впливає. Виходить так, що там, де вода, оточуюча пливе дельфіна, утворює ділянки турбулентного (вихрового) руху, там шкіра дельфіна прогинається всередину, вбирає в утворилося поглиблення турбулентний ділянку води, як би ізолюючи його від решти маси води, ламінарно оточуючої тіло тварини. На основі цих уявлень Крамер розробив складне штучне 3-шарове покриття для торпед, по конструкції схоже на шкіру дельфіна. Випробування показали, що таке покриття значно (на 60%) знижує опір води руху торпеди на великій швидкості (70 км / ч). Але ніякі подальші удосконалення цього покриття не могли привести до більш помітного ефекту. А якщо ще врахувати велику вартість штучного покриття, то стане ясно, що воно не може конкурувати зі шкірою дельфіна. Зрозуміло, справа не тільки в будові шкіри дельфіна. Причина високих гідродинамічних якостей дельфінів полягає також і в тому, що їх мозок з разючою досконалістю управляє шкірою. Інформація про зміни тиску на тій чи іншій ділянці шкіри негайно повідомляється головного мозку мільйонами тонких датчиків-рецепторів шкіри, а мозок посилає по нервах біоструми-команди відповідних ділянках шкірної мускулатури. При стрімкому русі дельфіна по його тілу йде м'язова хвиля, яка, на думку фахівців, знижує гідродинамічний опір.

Роботи вчених Інституту еволюційної морфології і екології тварин імені О.М. Северцова АН СРСР показали, що дельфін зберіг функціональну організацію скелетно-м'язового комплексу наземних ссавців. Не випадково руху дельфіна в воді нагадують стрибучий біг наземних тварин. Поперечні коливання тіла активно пливе дельфіна відбуваються у вертикальній площині на відміну від рухів пливуть риб, які звивалися своє тіло в горизонтальній площині.

Анатомія дельфіна, зокрема, афаліни, показує, що найбільш потужні рухові м'язи прикріплюються в ділянках підвищеної рухливості тіла. Ці ділянки знайдені по кинематическим характеристикам і розташовуються, якщо рахувати від кінчика носа (рострума), на відстанях в 0,3, 0,75 і 0,95 довжини тіла. Навколо цих ділянок, як навколо шарнірів, обертаються сусідні ділянки тіла дельфіна. З'ясувалося. Що два перших «шарніра» знаходяться там, де розташовуються пояси кінцівок у наземних ссавців. До речі, від таких поясів у китів збереглися лопатка і скорочені тазові кісточки.

Кінематика рухів тіла дельфіна така, що тиск води від голови до хвоста знижується, що зменшує ступінь турбулентності і отже, знижує опір водного середовища.

Вивчення роботи шкірної мускулатури і всієї рухової системи дельфінів триває вченими багатьох країн. Наявні на сьогодні дані говорять про найвищого ступеня пристосованості дельфінів до життя і руху води. У процесі тривалої еволюції шкіра дельфінів придбала здатність регулювати ламінарний потік води, попереджувати виникнення турбулентних ділянок в цьому потоці. Рушій дельфіна - хвостовий плавник, а також спинний і грудні плавці саморегулюються при русі: їх гідропружних рефлекторно змінюється в залежності від швидкості плавання. Результатом цих, майже в повному сенсі чудесних, успіхів еволюції стала можливість дельфінів плавати зі швидкістю, вище розрахованої за формулами гідродинаміки. Тому тепер навряд чи варто говорити про якийсь феномен, відкритому англійським ученим Греєм 75 років тому. Парадоксом тут можна вважати хіба що саму спробу цього вченого використовувати закони гідродинаміки для пояснення властивостей тіла, перетвореного еволюцією в складну саморегульовану біологічну систему.

Всі китоподібні прекрасно плавають, але пірнають все по-різному. Дельфіни, які харчуються в основному пелагическими видами риб (тобто риб, що мешкають в поверхневому шарі морської води), пірнають легко, але не глибоко (до 25-35 м). Дельфіни, які харчуються придонному їжею, пірнають значно глибше. Наприклад, афаліни в Чорному морі пірнають на глибину 80-90 м, а спеціально навчені афаліни можуть пірнати на глибину 170 м і навіть глибше. У природних умовах час перебування під водою у дельфінів складає від 3-4 до 10-15 хвилин. Для порівняння: наземні ссавці не в змозі зупинити дихання більше ніж на 1,5 хвилини. Людина в спокійному стані може зробити паузу між вдихами не більше ніж на 1,0 - 1,5 хвилини і тільки професійні нирці можуть затримувати дихання на 2-3 хвилини, але це межа.

Чужа людині водна стихія впускає в свої глибини тільки ті істоти, які пристосовані до неї. Нетренована людина без будь-яких пристосувань типу скафандра або акваланга може пірнути на глибину не більше 10-15 м. На велику глибину пірнають ловці губок в пошуках перлів, але це вже явища з розряду екстремальних.

Про ступінь пристосованості дельфінів до пірнання можна судити з такого прикладу: в одному з американських океанариумов навчили дельфіна за 105 хвилин пірнати за сигналом 50 раз поспіль на глибину до 30 м. Це був морщіністозубий дельфін, що мешкає в помірному і тропічному поясі Світового океану. Його розмір сягає 2,5 метра в довжину, зубів 100-104 шт. на підйом з глибини 30 м цей дельфін витрачав в середньому 18 секунд. А ось якби водолаз в м'якому скафандрі пробув на глибині 30 м всього 10-12 хвилин, то на його підйом треба було б не менше 10 годин. Швидкий, скажімо, протягом 2-3 хвилин підйом людини з такої глибини означав би його негайну загибель від кесонної хвороби.

Таке велике час на підйом водолаза навіть з незначною глибини (30-40 м) потрібно йому для декомпресії тіла. З ростом глибини на кожні 10 м тиск води збільшується на одну атмосферу. Якщо водолаз спустився, наприклад, на 150 м, то на нього впливає тиск води в 16 атмосфер. Для врівноваження такого тиску водолазу подають повітря під тиском близько 16 атмосфер. При збільшенні тиску в легенях водолаза надходить більше повітря по вазі, ніж в звичайних умовах, а розчинність повітря в крові зростає. Поступово кров у всьому тілі людини стає насиченою повітрям, точніше, - основним його компонентом - азотом. При швидкому підйомі водолаза тиск швидко падає, і кров як би закипає: з неї виділяються бульбашки азоту, які можуть потрапити у великий кровоносну судину, наприклад, в аорту і перекрити її, а це означає негайну смерть людини.

Час на декомпресію скорочують шляхом вдосконалення конструкції аквалангів та скафандрів, а також використанням для дихання водолазів газової суміші гелію (96-98%) і кисню (2-4%). Така суміш використовується з наступних причин: гелій (нейтральний газ, як і азот) потрапляє в кров швидше і менше розчиняється в ній, а виходить з крові швидше, ніж азот. Тому така суміш більш безпечна для людини, ніж повітря. Час на декомпресію в цьому випадку знижується в 3-4 рази.

А тепер зіставимо факти. Дельфіни, навіть коли вони стрімко, в лічені секунди піднімаються з глибин в десятки і сотні метрів, не відчувають ніяких неприємних відчуттів. Причина тут в тому, що дельфін, заповнивши перед зануренням свої легені порцією повітря, йде з цієї однією порцією повітря на глибину. Повітря в його легенях знаходиться під нормальним тиском, тому азот потрапляє в його кров в незначній кількості, що абсолютно безпечно для дельфіна.

Але тільки цього було б недостатньо для занурення на великі глибини. Для тривалого пірнання організм дельфінів, як і всіх китоподібних, має низку фізіологічних особливостей. Почати з того, що дихальний акт у китоподібних порушується не накопиченням вуглекислоти, а наступаючим нестачею кисню в крові. Для порівняння зазначимо, що у наземних ссавців і у людини акт дихання порушується накопиченням вуглекислоти в крові, і вони роблять вдих, коли в легенях залишається ще значна кількість кисню. Китоподібні, таким чином, використовують кисень в крові і в легенях більш повно, ніж наземні ссавці, і можуть надовго затримувати дихання. Легкі китоподібних дуже еластичні і здатні швидко стискатися і розширюватися. Тому за один подих в їх легких повітря оновлюється на 80-90%, а у людини навіть при глибокому вдиху-видиху - лише на 15-20%.

Суттєве значення має також така особливість китоподібних, як високий вміст м'язового гемоглобіну, так званого міоглобіну, який насичується киснем майже в такій же мірі, як і гемоглобін крові. У наземних ссавців зміст міоглобіну в м'язах в 8-9 разів менше, ніж в м'язах китів. Кров китоподібних, в порівнянні з кров'ю наземних ссавців, має більш високу кисневу ємність. Цей показник у людини на 20-30% нижче, ніж у китоподібних.

Під час пірнання кров в тілі китоподібних подає кисень в першу чергу в життєво важливі органи - в серце і головний мозок, а деякі органи і м'язи не отримують кисень з крові (частина вен, що несуть кров від цих органів і м'язів, перекривається при пірнанні) і змушені обходитися запасами кисню, що міститься в миоглобине. У цій ситуації частота серцебиття різко сповільнюється, а тканини і органи отримують кисень в зменшеній кількості. Наприклад, якщо на поверхні води у дельфіна афаліни частота пульсу була в межах 100-130 ударів в хвилину, то на глибині пульс стає рівним 40-50 ударам в хвилину.

Робота серцево-судинної системи китоподібних, особливо пірнаючих на великі глибини в 1,5-2 і більше кілометрів (кашалоти, фінвали, клюворилі кити) містить ще багато загадок, і її вивчення триває.

Вчені, досліджуючи живу природу з метою використання її невичерпного еволюційного досвіду в різних областях техніки, не раз стикалися і стикаються з незрозумілими, парадоксальними явищами. І нерідко буває так, що чергова таємниця природи довго не знаходить суворого пояснення.

Показовим є такий приклад. Відомо здавна існує серед авіабудівників вислів: «Пам'ятай, що за законами аеродинаміки жук летать не может!» За рахунок чого ж це важке, з малоефективними крилами комаха піднімається в повітря? Тільки недавно з'ясувалося: за рахунок воістину неймовірною «енергоозброєності»!

Опубліковані нижче матеріали присвячені секретам швидкості плавання дельфіна. Багато що в цій області ще залишається невивченим, багато - суперечливе. Друкуючи, здавалося б, взаємовиключні статті, ми вважали, що буде цікаво познайомитися з різними думками, познайомитися з «гарячою точкою» молодий науки - біоніки.

Практично немає меж пізнання. Ще й сьогодні багато таємниць і дивних «винаходів» зберігає жива природа - конструктор, винахідник, великий творець. Вся історія людства - безперервний процес пізнання таємниць природи, її законів і шляхів розвитку. «Від живого споглядання до абстрактного мислення і від нього до практики», - так визначив В. І. Ленін діалектичний шлях пізнання істини, пізнання об'єктивної реальності.

На певному етапі цього розвитку почали формуватися нинішні біотехнічні наукові напрямки, завданням яких є вивчення конструкцій і процесів в біологічних об'єктах, їх відтворення і використання в технічних пристроях і системах.

Віддаючи належне біоніці як сучасної і перспективної нової науці, ми аж ніяк не маємо наміру стверджувати, що вчені та інженери у своїй діяльності тільки тим і повинні займатися, що копіювати біологічні прототипи. На базі відкритих загальних законів природознавства людина створила велику частину сучасних технічних систем, приладів і пристроїв, яких жива природа ніколи не знала. Проте, природа і техніка «будують» за одними і тими ж законами, і оптимальні конструкції часто виявляються однаковими.

Наведемо два приклади з безлічі, відомих історії техніки. До сотої річниці Великої французької революції в Парижі за проектом інженера Гюстава Ейфеля була споруджена нині відома всьому світу Ейфелева вежа, конструкцію якої він розрахував математично.

Згодом було встановлено, що елементи - осередки вежі - в точності збігаються з геометричним параметрам і будовою з елементами великої гомілкової кістки людини, що витримує, як відомо, вельми великі навантаження.

При створенні швидкісних літаків авіаконструктори зіткнулися з явищем флатера - вібрації фюзеляжу і крил, приводила до руйнування конструкції. Зрештою засіб боротьби з флатером, пов'язаних з виникненням вихрових пульсацій, було знайдено: на кінцях крил стали робити потовщення. Вже після цього інженерам стало відомо, що точно такі ж потовщення є на кінчиках крил бабки! Неважко уявити собі, скільки сил, засобів і навіть людських життів могло б зберегти вивчення механізму крил бабки.

Одним з найважливіших розділів біоніки є гідробіоніки. Людство, що освоює космос, вже не може ігнорувати таку близьку і в той же самий час дуже важку для освоєння середу, як Світовий океан з його незліченними багатствами поживних продуктів і сировини. Водні простори займають 3/4 поверхні земної кулі, їх населяють 57 класів тварин (з 63, які нараховують на землі) і 50 тисяч різних видів рослин. Прототипів, як бачимо, цілком достатню кількість! Створюючи надводні та підводні пристрої для освоєння океану, вчені та інженери все частіше звертаються до різних біологічних об'єктів, щоб, вивчивши особливості їх плавання і діяльності, реалізувати сучасні природні схеми і принципи в своїх технічних конструкціях.

Океан є колискою всього живого на землі, і в цьому сенсі - колискою людства. Парадокс же полягає в тому, що зворотне проникнення в нього людини, як і впровадження різних технічних засобів, - завдання технічно дуже складна.

Розглянемо лише один аспект цієї проблеми. Щільність води в 800 разів більше щільності повітря, тому будь-яким рухомим об'єктам доводиться долати значний опір середовища, яке, як правило, зростає пропорційно квадрату швидкості. Звідси виникає складна енергетична проблема і одночасно необхідність якимись спеціальними заходами знизити опір руху.

Одне з актуальних напрямків сучасної гідробіоніки - гідродинаміка плавання морських тварин, яка вивчає їх енергетичні можливості і швидкісні якості, способи зменшення опору руху, особливості їх рушійні апарату.

Найбільш поширені біотехнічні дослідження з гідродинаміки плавання морських тварин відносяться до вивчення форми їхніх тіл. Ці дослідження стимулюються інтересом людини до тих вельми високим швидкостям, які можуть розвивати морські тварини при досить обмежених енергетичних можливостях. Так, китоподібні, до яких відносять зубатих (дельфнн, кашалот, косатка, белуха) і вусатих (синій кит, сейвал, фінвал) китів, розвивають швидкість до 20 уз. З такою ж швидкістю можуть плавати акули. Абсолютно феноменальну швидкість - до 80-100 уз - короткочасно, в момент нападу, розвиває меч-риба.

На вироблені в процесі еволюції оптимальні для конкретних умов проживання форми тіла морських тварин вчені звернули увагу вже давно. Цей напрямок гідродинаміки вже не раз доводило важливість звернення до арсеналу живої природи, давало відчутну користь у вигляді ряду технічних рішенні.

Наприклад, в Японії було побудовано океанське судно «Куренай Мару», корпусу якого надано форму тіла кита, що дозволило, зберігши проектну швидкість судна, знизити потужність його двигунів на 15%. Вивчення форми передньої частини тіла дельфіна підказало авіаконструкторам найвигіднішу форму носової частини фюзеляжу сучасних літаків. З'ясувалося, що при літакових швидкостях руху в повітрі і швидкостях дельфіна в воді числа Рейнольдса - безрозмірні величини, що характеризують режим обтікання, - мають один і той же порядок (10 7 -10 8). У США і Німеччини в пошуках оптимальних форм фюзеляжів літаків були ретельно досліджені форми різних риб і ссавців. На підставі отриманих даних розроблені типові серії так званих ламінарізірованних профілів NACA. Природа підказала, що існує оптимальне, з точки зору зниження опору, співвідношення довжини і товщини летить або пливе тіла. Звертає на себе увагу, що підказані вивченням китоподібних відносні товщини профілю (в межах 20-28%) є найвигіднішими і з позицій отримання найбільш економічних корисних обсягів.

Вивчення ідеальних гідродинамічних форм китоподібних і акул (тільки в США такі роботи ведуться в восьми великих дослідних центрах) послужило лише початком ознайомлення людини з таємницями їх руху. Було виявлено, що м'язи живих організмів є дуже економічні і досконалі двигуни, коефіцієнт корисної дії яких наближається до 90%, тоді як, наприклад ККД двигунів внутрішнього згоряння становить всього лише 35%. Однак навіть при всьому обліку цієї високої ефективності природних двигунів - м'язів вчені нерідко стикаються з нез'ясовним невідповідністю наявної у морських тварин «потужності» і розвивається ними швидкості. Наприклад, ще в тридцяті роки англійський зоолог Джеймс Грей звернув увагу на Незрозумілий феномен швидкості дельфінів, здатних протягом тривалого часу кружляти навколо швидкохідного судна, хоча навіть при самій поверхневій оцінці «потужності» їх м'язів для цього явно вистачати не повинно. Зоолог звернувся до теорії корабля і скористався загальноприйнятою формулою, за якою суднобудівники визначають необхідну потужність двигуна по заданій швидкості руху і опору води руху корпуса судна. Оскільки дельфіни спокійно йшли нарівні з 20-вузловим судном, Грей прийняв їх швидкість дорівнює 20 уз. Вважаючи коефіцієнт опору тіла дельфіна рівним аналогічному показнику найбільш швидкохідних кораблів, Грей зробив підрахунок потужності по швидкості і опору і отримав абсолютно незрозумілий результат.

Вийшло, що при швидкості 20 уз дельфін повинен виробляти роботу, яка приблизно в 10 разів перевищує можливості його м'язів.

Природно, виникає питання: а як же оцінювалися ці можливості? Вчені вважали, що м'язова сила в перерахунку на 1 кг ваги м'язів у всіх китоподібних однакова (ця цифра вже була визначена), а зважити вага м'язового апарату дельфіна було вже нескладно.

Ця невідповідність, яка отримала назву «парадоксу Грея», не могло не зацікавити вчених. Припущення, що працездатність дельфіна в 10 разів більше, ніж у всіх інших китоподібних, перевірки не витримало. А при буксируванні опудал і моделей дельфінів з'ясувалося, що опір їх приблизно збігається з початковою оцінкою вчених. Дослідження зайшли в глухий кут, багато років парадокс Грея залишався в числі непояснених загадок природи.

Боротьба авіаконструкторів і кораблебудівників за швидкість в повітрі і в воді змусила інженерів і вчених ряду країн повернутися до вивчення феномена дельфіна, як, втім і ряду інших настільки ж незрозумілих явищ живої природи. Гідробноніка отримала перший потужний поштовх.

Німецький вчений в галузі ракетобудування М. Крамер (колись один з провідних співробітників фон Брауна) ще в 1938 році запропонував застосовувати на рухомих в воді швидкохідних об'єктах демпфіруючі покриття, «що володіє здатністю поглинати енергію турбулентних пульсацій в прикордонному шарі рідини». Практично це покриття імітувало зовнішній власний (хутряний) покрив тюленів, морських левів і інших подібних тварин або оперення: на поверхні обтічного тіла розміщувалося величезна кількість тонких пружних зволікань, орієнтованих уздовж потоку, що набігає. Завдяки силам тертя між тяганиною і рідиною турбулентний обтікання, по ідеї Крамера, мало перетворитися на ламинарное, що суттєво зменшило б опір на високих швидкостях. Практичного застосування такий метод ламинаризации потоку (або управління прикордонним шаром) не знайшов.

Той же М. Крамер вже після війни плив через Атлантику на пасажирському пароплаві, і спостереження за пустують дельфінами підказало йому ще один шлях вирішення тієї ж завдання. «Я зрозумів, - писав він пізніше в книзі« Гідродинаміка дельфіна »(1967 р, Нью-Йорк), - що дельфіни можуть допомогти мені вирішити проблему опору тіл, що рухаються в рідкому середовищі, - проблему, над якою я бився вже 15 років ». Крамер став шукати розгадку парадоксу в різкому зниженні опору живого дельфіна, в порівнянні з його ж опудалом, за рахунок управління прикордонним шаром рідини за допомогою гнучкого і пружного шкірного покриву.

Ретельно вивчивши «обшивку» дельфіна під мікроскопом, М. Крамер встановив, що вона має дуже складну структуру. Зовнішній пружний шар товщиною близько 0,5 мм спирається на пружно деформується внутрішній шар товщиною 1 мм з каналами, заповненими рідким жиром. Цей шар прилягає до внутрішнього потужному волокнистому кожному покрову, товщина якого досягає 6 мм. При русі дельфіна виникають пульсації тиску в прикордонному шарі, які передаються через шар 1 на еластичну прошарок 2 і деформують її перпендикулярно поверхні; вона прогинається всередину на всіх ділянках збільшення зовнішнього тиску або вигинається назовні при розрідженні. В'язка рідина, що знаходиться між шарами 1 і 3, починає перетікати по каналах відповідно до деформацією шару 7, демпфіруем коливання зовнішнього тиску, в прикордонному шарі води, цим поглинається енергія вихорів - виключається турбулізація.

Головну роль в зниженні опору, як підсумував учений, грає саме ця здатність шкірного покриву китоподібних ламінарізіровать прикордонний шар оточуючої води, т. Е. Забезпечувати обтікання корпусу без завихрень, неминуче утворюються при випробуванні жорстких моделей і опудал дельфінів.

Уявлялося дуже привабливим справою відтворити виявлене явище - розробити штучне ламінарізірующее покриття, застосування якого допомогло б істотно підвищити швидкості рухомих в воді об'єктів. Розроблене М. Крамером покриття з гуми отримало назву «ламінфо» або штучна дельфіняча шкіра. Що воно собою являло? Зовнішня оболонка 1 спирається на еластичну діафрагму 2 з гнучкими стерженьками - стовпчиками 3. Простір між стерженьками заповнюється силіконовою демпфирующей рідиною 4. Шари покриттів 1 і 2 спираються на внутрішню оболонку 5, яка наклеюється на поверхню моделі 6. Товщина штучної оболонки 3,5 мм. За деякими даними застосування покриття Крамера на моделях невеликих катерів забезпечує зниження опору на 50-60%.

Надалі М. Крамер продовжував роботи в цьому напрямку. Так, встановивши, що Стовпчикові покриття втрачає ефективність з плином часу, на двох поліпшених варіантах покриття цей недолік він уже усунув. На поверхні останніх, удосконалених покриттів під впливом турбулентності виникають значно менші складки, і отже, можливість відриву потоку, що викликає збільшення опору, менш імовірна; це забезпечується тим, що ребристе покриття складається з діафрагми, яку підтримують ребра, орієнтовані по напрямку потоку.

Дослідження М. Крамера послужили поштовхом до розробки самих різних штучних ламінарізірующіх покриттів. Так, наприклад, в США запатентовано стільникове покриття для обтекателей гідролокатаров. Верхня і нижня оболонки виконані з жорсткого пластика, розділені відносно м'якою стільникового діафрагмою 2, яка і є демпфирующим шаром.

Таким чином, виявлення ефекту ламинаризации прикордонного шару шкірним покривом дельфіна і вивчення його «конструкції» послужило основою розвитку нового перспективного напряму техніки. Однак триваючі роботи по дослідженню феномена дельфіна давали все нові відкриття. За участю того ж М. Крамера Ф. Есса-Піані було вивчено явище освіти на поверхні шкіри дельфінів поперечних складок.
За допомогою кінозйомок були виявлені і зафіксовані виникають при русі на максимальних швидкостях поперечні до набігаючого потоку складки на нижній частині тулуба. На перший погляд, такі складки шкідливі і повинні тільки гальмувати, оскільки загальновідомо, що будь-який виступ на корпусі обтічного тіла збільшує його опір руху. Однак з'ясувалося, що ці поперечні складки НЕ нерухомі: пробігаючи по тілу дельфіна, вони утворюють «біжучий хвилю», синхронну з виникаючими завихреннями рідини Поверхня тіла дельфіна як би вислизає з-під агресивних гальмують вихорів, опір руху не збільшується. Очевидно, керує цим явищем центральна нервова система: датчики її у вигляді нервових закінчень реагують на різкі місцеві зміни тисків на поверхні тіла і викликають больові відчуття, для зменшення яких м'язові тканини і створюють «біжучий хвилю».

Отже, крім пасивної реакції шкірного покриву на виникаючі завихрення в прикордонному шарі, існує і активна реакція м'язів - активне управління цим же прикордонним шаром.

Цікаве відчуття відчуваєш при доторканні поверхні тіла висунувся з води дельфіна. Якщо це робити ніжно, то створюється враження, що під рукою м'яка податлива і притому суха поверхня. Остання обставина пов'язана з водовідштовхувальними властивостями шкірного покриву, які також мають важливе значення, сприяючи зменшенню опору тертя: частки оточуючої рідини прослизають, "не чіпляючись» за зовнішній шар шкіри. Якщо різко збільшити натискання руки, то миттєво відчувається сильну протидію, - поверхня шкіри стає жорсткою, як добре накачаний футбольний м'яч.

Зрозумілим є одне: природа подарувала дельфінам (можна припускати, що і іншим китоподібних) чудові властивості шкіри - реакцію на зміну тисків в прилеглих до неї областях рідини, в результаті якої здійснюється керована деформація поверхні тіла, що перешкоджає зростанню опору руху при підвищенні швидкості.

Природно, що штучно повністю відтворити ці властивості шкіри дельфіна для застосування на технічних об'єктах дуже складно. Однак, якщо судити за даними зарубіжній пресі, навіть часткове відтворення дослідженого механізму вже дає позитивні результати.

Нарешті, вітчизняними вченими С. В. Першиним, А. С. Соколовим і А. Г. Томілін зроблено ще одне відкриття, внесену Комітетом у справах винаходів і відкриттів при Раді Міністрів СРСР до Державного реєстру. Виявилося, що в залежності від режиму плавання змінюється пружність плавників дельфіна. При швидкому плаванні завдяки наповненню кров'ю судин пружність плавників найбільша, при повільному - вони розслаблені. Це управління пружністю плавників також сприяє високій швидкості руху дельфінів.

Закінчуючи розмову про новий напрямок гідробіоніки, відзначимо, що вивчення гідродинаміки плавання морських тварин дає виключно цінний і воістину неосяжний матеріал, який допомагає інженерам знайти нові можливості поліпшення швидкісних якостей технічних об'єктів.