Этот обыкновенный загадочный дельфин

До сих пор не вполне понятно, как удается дельфинам развивать такую скорость. Конечно, обтекаемая торпедообразная форма тела как нельзя лучше приспособлена к движению в плотной водной среде. Но этого мало. Обязательно нужно иметь хороший орган движения, который эффективно превращал бы мускульную энергию дельфина в энергию движения, толкал бы тело вперед. Такой орган (у животного) или механизм (у машины) называют движителем (не путайте с двигателем: например, у автомобиля, корабля, самолета двигатель это мотор, а движитель — соответственно ведущие колеса, водный или воздушный винт). У дельфина движитель — это его хвостовой плавник, приспособление во многих отношениях замечательное. Горизонтальная гребущая лопасть хвостового плавника расположена на конце хвостового стебля и может поворачиваться вокруг точки крепления. Причем никакого сустава в этой точке нет, потому что в хвостовой лопасти нет костей скелета, но она закреплена на связках так, как будто там есть самый настоящий сустав или ось вращения. Поворачиваясь вокруг этой точки, хвостовая лопасть меняет свой угол относительно набегающего потока воды (его называют углом атаки) так, чтобы при взмахах хвоста вверх-вниз максимально отбрасывать назад струю воды и, отталкиваясь от нее, создавать наибольшее продвижение вперед. Примерно так же действуют ласты аквалангиста. Но именно примерно, а не точно так же. Ласты аквалангиста меняют угол атаки просто потому, что эластичная резиновая лопасть отгибается под напором воды. Дельфин же управляет своим хвостом активно, с помощью мышц и связок. Он всегда может повернуть лопасть под таким углом, чтобы при данной скорости движения этот движитель работал наиболее эффективно.

А сам хвостовой стебель, на котором закреплена лопасть, тоже испытывает сопротивление воды? Практически нет. Стебель сильно сплюснут с боков, поэтому при движениях вверх-вниз он, как нож, разрезает воду, практически не встречая сопротивления. Весь упор приходится на саму лопасть, повернутую под таким углом, чтобы сопротивление воды обратилось в тягу, толкающую тело дельфина вперед.

Своим хвостом-движителем дельфин управляет артистически. Режимы его работы — частота и амплитуда взмахов -всегда выбираются такими, чтобы достичь максимального эффекта при данной скорости движения. Когда дельфин только начинает разгон, хвост его описывает широкие, размашистые движения, помогающие разогнать с места массивное тело. По мере увеличения скорости несущийся навстречу поток воды сделал бы такие движения неэффективными, но характер работы хвоста меняется, его взмахи становятся все более короткими и быстрыми — при любой скорости находится оптимальный режим, дающий наилучшую отдачу.

Но, оказывается, иметь эффективный и послушный в управлении движитель — это лишь полдела. Более полу века назад английский зоолог Грэй попытался подсчитать, какую мощность может и должен тратить дельфин для движения с той скоростью, которую он способен развивать. Сделать такой расчет вполне возможно. С одной стороны, есть хорошо проверенные физические формулы, по которым можно рассчитать, сколько энергии требуется, чтобы тело такой же формы и такого раз мера, как тело дельфина, преодолевало сопротивление воды с определенной скоростью. С другой стороны, физиологи могут подсчитать энергетические ресурсы организма и оценить, какой энергией реально располагает дельфин, чтобы вложить ее в свой «двигатель». Грэй подсчитал то и другое. Сравнил. И очень удивился. Оказалось, что дельфин вроде бы должен тратить для своего движения в несколько раз большую энергию, чем та, которой он реально может располагать. Этот результат стал известен как «парадокс Грэя».

Конечно, закон сохранения энергии никто не отменял. Дельфин не может брать энергию «ниоткуда». Значит, он обходится тем относительно небольшим ресурсом энергии, который есть в его распоряжении, но расходует его намного экономнее и эффективнее, чем известные механические устройства. Значит, и тут есть у него свой секрет. И что самое интересное — приблизительно даже было известно, где искать этот секрет. И все равно найти его оказалось не очень легко.

А искать надо было вот где. Давно известно, что, когда какое-то тело движется в воде (или в воздухе, или другой среде, но для определенности давайте говорить о воде), обтекание тела водой не всегда происходит равно мерно, даже если это тело идеальной обтекаемой формы. При относительно небольшой скорости струи воды плавно расступаются перед телом, обтекают его и так же плавно смыкаются за ним. Но если скорость увеличить, то трение между водой и поверхностью тела нарушит это плавное течение. Струи воды отрываются от поверхности, завиваются в вихри. Эти вихри прочно присасываются к движущемуся телу, держат его, мешают двигаться вперед. Львиная доля всей энергии, затрачиваемой на движение, поглощается этими вихрями и безвозвратно уносится в убегающий назад поток. Поэтому потребность в энергии для движения тела сразу резко возрастает.