Биогидродинамика

Есть такая книга "Биогидродинамика плавания и полёта" Сборник статей. Перевод с английского по редакцией В.М. Ентова. М.Мир, 1980 (есть в интернете). Для нас одна из наиболее интересных работ из сборника работа Дж. Лайтхилла "Аэродинамические аспекты полёта животных." Приведённый рисунок взят из этой работы (также как и цитаты, выделенные ниже кавычками).

"есть многочисленные группы рыб, которые никогда не покидают воду, но вынуждены создавать помимо тяги и некоторую гидродинамическую подъемную силу, поскольку их вес превосходит выталкивающую силу. Некоторые из них, подобно голубой акуле (рис. 6), получают большую часть необходимой подъемной силы от крупных грудных плавников, установленных под фиксированным положительным углом атаки, в то время как рыба продвигается вперед в результате волнообразных движений хвостового плавника и задней части тела."
"движения хвоста «скомброидного движителя» складывается из поперечных (из стороны в сторону) колебаний и поворотов в каждой крайней точке колебания, так что у поперечного движения всегда есть компонента, направленная назад. Китообразные млекопитающие используют для создания тяги те же движения хвостового плавника, но уже вверх и вниз, как это показано на рис. 7; вновь в крайних точках каждого колебания происходит поворот. Таким образом, движение, показанное в левой части рис. 7, представляет собой типичный для водных животных механизм создания тяги без подъемной силы. Налагая на него простое движение с постоянным углом атаки для создания подъемной силы, показанное в середине рисунка, мы получим показанное в правой части рисунка достаточно близкое изображение того нормального машущего движения крыльев, посредством которого насекомые, птицы и летучие мыши создают тягу в сочетании с подъемной силой."

В этом высказывании Лайтхилла есть недоговорённость. Существуют малые акулы у которых верхняя часть хвоста значительно длиннее нижней. Так по этому длинному хвосту при движении постоянно двигаются бегущие волны (по телевизору показывали о них передачу, в которой эти волны видны невооруженным глазом). Следовательно, и на машущие движения хвоста голубой акулы, показанной на рисунке, накладывается и бегущая волна, которой акула и отталкивается от воды. Приведу цитату и из работы из этого сборника Т. Ву "О масштабном эффекте для передвижения водных животных"

"Здесь рассматриваются два основных вида микроскопических организмов — жгутиковые и ресничные. Обычно их максимальный линейный размер меньше 1 мм, причем в основной массе размеры гораздо меньше. Жгутиковые передвигаются в водной среде при помощи волнообразных движений длинного тонкого жгутика (или нескольких жгутиков), принимающего форму плоской, винтовой или трехмерной волны общего типа. При ресничном продвижении используются согласованные усилия большого числа жгутикоподобных органелл, называемых ресничками, которые распределены по мембране клетки и совершают волновое движение, называемое метахрональной волной."

Добавлю, что волнооборазные движения всего тела для организации своего движения используют (если мне не изменяет память) тюлени. На математику, обильно используемую в сборнике, внимания можно не обращать. Ведь при этом авторы даже не задаются следующим вопросом. Природа пустобрёхством не занимается. Если она что-то изобрела, то это что-то она активно использует. Для чего сперматозоидам высших животных (ресничковым организмам), рыбам и тюленям нужны волнообразные движения? А для этого в очередной раз придётся вспомнить работу Sirovich L., Ball K. L., Keefe L. R. Plane waves and structures in turbulent channel flow. Phys Fluids A2 (12), December 1990, 2217-2226. На поверхности тела в пограничном слое периодически возникает и периодически исчезает когерентная система вихрей Тейлора. Водные организмы ничем не отличаются от обычных тел. Т.е. и на их поверхности возникают вихри Тейлора. А если эти вихри подхватить и сопроводить их бегущей волной из мышечных покровов тела, то это и создаст тягу для движения тела. Этим и занимаются водные организмы, как простейшие микроорганизмы, так и более серьёзные представители водного мира.

Эту же технологию используют и летающие организмы. Приведу пару рисунков из работы Лайтхилла.

И голубь, и чайка при взмахе вниз используют стандартный и для самолётов приём создания крылом угла атаки. Но и при взмахе крылом в верхнее положение птицы создают и подъёмную силу, и тяговое усилие. Как же это происходит? И подсказку в этом направлении дают уже простейшие жгутиковые организмы. От среды надо отталкиваться бегущей волной. Птицы резко опускают маховые перья своих крыльев в конце взмаха вниз. Вроде бы в этом действии не наблюдается никакой логики. Ведь и в этом положении птица продолжает своё поступательное движение в направлении полёта. А она опускает перья чуть ли не перпендикулярно направлению полёта. Должно вроде бы увеличиться сопротивление полёту. Но факт опускания перьев от этого так и остаётся фактом. Природа же ничего зря не делает. Отгадку этого парадокса я увидел вновь по телевизору. Эмблемой какой-то английской благотворительной организации является видик снятого сверху дикого гуся. Оказывается во время взмаха крылом вверх птица формирует на своих крыльях бегущую волну из маховых перьев, поочерёдно поднимающихся от корпуса к кончикам крыльев. Т.е. и сперматозоид и птицы используют один и тот же приём создания бегущей волны. В первом случае из своего тела, во втором случае из маховых перьев крыла. Т.е. и сперматозоид, и птица отталкиваются от вихрей среды, которые они сами же и создали. Рыбы пользуются тем же приёмом. Только мы бестолковые никак не можем использовать вихревого движения для организации перемещения наших рукотворных объектов.