Треугольники под водой и на сверхзвуке
Кажущееся легким скольжение дельфинов и морских свиней в воде имеет больше общего с уникальными возможностями сверхзвукового самолета Concorde, чем можно было бы подумать.
Первое исследование, которое систематически сравнило гидродинамические свойства ласт нескольких видов дельфинов, морских свиней и китов, пришло к выводу, что стреловидные треугольные ласты помогают животному эффективно двигаться в воде почти так же, как дельта-крылья самолета создают подъемную силу в воздухе.
Исследование провели инженеры Университета Дьюка вместе с исследователями из Военно-морской академии США и Университета Вест-Честера.
Создав модели на основе реальных ласт и протестировав их в гидроканалах, ученые смогли рассчитать характеристики ласт семи разных животных: амазонского дельфина, полосатого дельфина, морской свиньи, атлантического белобокого дельфина, афалины, обыкновенного дельфина и карликового кашалота.
«Мы обнаружили, что ласты схожей формы имеют схожие гидродинамические свойства», — сказал Пол Вебер, аспирант инженерной школы Пратта Университета Дьюка. Он и старший исследователь Лоренс Хаул, доцент Университета Дьюка, сообщили о результатах экспериментов в выпуске Journal of Experimental Biology от 26 июня.
Исследователи сосредоточились на двух важных силах, действующих на ласты при движении: подъемной силе и сопротивлении.
Для экспериментов ученые собрали ласты погибших животных, выброшенных на берег, и провели их полную компьютерную томографию (КТ). Используя программное обеспечение, разработанное в Университете Дьюка, они преобразовали данные КТ в 3D-модели, которые стали основой для создания масштабированных моделей ласт.
После классификации каждого ласта как треугольного, стреловидно-заостренного или стреловидно-закругленного, масштабные модели были испытаны в гидроканалах Военно-морской академии в Аннаполисе. Исследователи измеряли гидродинамические силы при изменении ориентации ласта и скорости воды.
Когда результаты экспериментов были нанесены на график, оказалось, что кривые подъемной силы и сопротивления ластов очень похожи на кривые гидродинамических поверхностей, спроектированных инженерами.
«Неожиданно мы также обнаружили уникальную кривую подъемной силы для животных со стреловидными ластами, — сказал Вебер. — То же явление происходит с самолетами, имеющими дельта-крылья».
Дельта-крыло — это, по сути, большой треугольник, названный в честь заглавной греческой буквы «дельта». В случае с Concorde оно создает достаточную подъемную силу на малых скоростях и высокоэффективно на больших.
У таких животных, как амазонский дельфин, ласты больше, поскольку в его мире рек и затопленных лесов важна маневренность, а не скорость. С другой стороны, у афалины ласты меньше и имеют стреловидную форму для скорости в открытом океане.
«Наша работа представляет собой первый шаг к пониманию связи между трехмерной формой ластов и способностью каждого животного существовать в своей среде, чтобы добывать пищу, спасаться от хищников или размножаться, — сказал Хаул. — Хотя некоторые исследования были сосредоточены на ластах отдельных видов, сравнительного исследования до сих пор не проводилось».
«Многие факторы, включая экологию, форму тела и требования к производительности, повлияли на эволюцию ластов китообразных, и все эти факторы связаны с гидродинамическими характеристиками ластов, которые мы видим сегодня, — добавил Хаул. — По мере того как мы продолжим оценивать больше животных, мы сможем лучше связать эти факторы вместе».