Мы вспоминаем истории из журнала Cosmos в печати. В декабре 2020 года специалист по механике жидкостей Софи Калабретто написала о том, что самая удивительная характеристика акулы — это только её кожа.
Сколько я себя помню, я любил акул. Конечно, я имею в виду, что мне нравилась идея акул. Жертвой старшего брата, который (могу только предположить) получал огромное удовольствие, показывая мне «Челюсти», когда я был слишком молод. На практике, я уверен, если бы я увидел акулу в дикой природе, это увлечение и трепет быстро растворились бы в абсолютном ужасе, хотя трепет остался бы. Именно по этой причине, возможно, я ещё не погружался в клетке для акул. Я могу представить это сейчас…
Внимательно наблюдая, как вдалеке появляется тёмная зловещая форма. Я ахаю, респиратор выпадает у меня изо рта. Но я не обращаю внимания, потому что прямо передо мной материализуется АКУЛА. Забыв о респираторе, я делаю глубокий вдох, чтобы успокоить нервы, задыхаюсь и умираю.
Моя мечта — увидеть акулу, катаясь на каяке по Сиднейской гавани. Я дам вам знать, когда придёт время съесть свои слова.
Впервые я захотел стать морским биологом, и это было связано с тем, как круто я считал синих осьминогов с голубыми кольцами, и как удивительно и слегка ужасающе я находил акул. Однако я явно что-то напортачил, и в итоге стал прикладным математиком, используя математику для понимания, объяснения и решения реальных проблем. В частности, у меня появилась склонность ко всему жидкостному, и поэтому я тоже стал механиком-жидкостником. Однако не всё потеряно: если моё образование чему-то и научило, так это тому, что акулы живут в воде, а вода — это жидкость.
Вода — это жидкость, но и воздух, и кровь, и мёд — тоже жидкости. Слюна, зубная паста, неон, Юпитер — я думаю (примечание от Алана Даффи: да, Юпитер — это жидкость..! Вы видите прекрасные примеры механики жидкости с разделением полос, струйных течений и тому подобного). Всё, что течёт, — это жидкость. На самом деле мы окружены жидкостями каждый день, и всё же мы до сих пор не до конца понимаем, почему они иногда ведут себя именно так. Встречайте механика-жидкостника. Мой основной интерес — понять, что такое турбулентность: почему жидкость переходит из «приятного», ламинарного состояния в немного нестабильное, а затем переходит в режим турбулентного потока.
Турбулентность
Турбулентность — это жидкость, ведущая себя хаотично (математический хаос, я имею в виду — вспомните Джеффа Голдблюма в «Парке Юрского периода», говорящего о бабочках), и мы не можем предсказать хаос, а значит, не можем предсказать турбулентность. Если мы не можем её предсказать, мы не можем её контролировать. И всё же акулы, похоже, в какой-то мере с этим разобрались.
Чтобы двигаться в любой жидкости — воде или воздухе, — вам нужно создать больше движущей силы (или «тяги»), чем сила сопротивления (или «сопротивления»), с которой вы сталкиваетесь (согласно законам движения Ньютона). Эти силы сопротивления состоят из двух разных видов сил: инерционных сил, связанных с движением массы жидкости, и вязких сил, возникающих из-за того, что соседние слои жидкости пытаются двигаться друг по другу. Вы ежедневно сталкиваетесь с различными версиями этого.
Когда мы плаваем, мы бьем ногами (возможно, дико, в зависимости от того, сколько времени мы проводили на пляже в детстве), чтобы оттолкнуться от воды позади нас, и используем руки, чтобы тянуть себя к воде перед собой. Для сравнения, акулы и другие водные животные явно потратили немало времени, эволюционировав в довольно впечатляющих пловцов. И это без того, чтобы когда-либо объяснять им законы Ньютона.
Как животные двигаются в воде
* Флагелляты, такие как сперматозоиды и некоторые бактерии, используют жгутики (маленькие, похожие на хлыст придатки), чтобы продвигать себя вперёд, взмахивая жгутиками из стороны в сторону или по спирали.
* Некоторые ракообразные, такие как веслоногие, используют ноги или даже антенны для плавания (немного похоже на нас, но лучше).
* Многие головоногие моллюски, в том числе мои любимые друзья — синекольчатые осьминоги, используют реактивное движение, наполняя мышечную полость водой, а затем выбрасывая её, чтобы двигаться в направлении, противоположном выброшенной воде. (Прямо как реактивный двигатель, который использует воду, а не газ… о чём вы теперь знаете, это тоже жидкость.)
* Морские черепахи, пингвины и морские львы используют грудные плавники, чтобы продвигаться в воде, а тихоходки просто плавают, как маленькие странные собаки с восемью ногами.
* Некоторые беспозвоночные, такие как черви, будут изгибать своё тело, чтобы создать тягу — не в отличие от морских змей, у которых есть дополнительное преимущество в виде веслообразного хвоста для небольшого дополнительного толчка. Многие рыбы часто используют эту технику, изгибаясь всем телом или колебля плавниками.
Акулы, также известные как «Монархи всех рыб» или «Гепарды океана» (примечание для читателя: ни одно из этих наименований пока не одобрено научным сообществом), имеют невероятно сильные плавники, которые создают динамическую подъёмную силу и толкают их вперёд. На самом деле это некоторое упрощение: существует более 500 видов акул, и я бы не назвал воббегонг «Гепардом океана», несмотря на пятна.
Особенности акул
Я думаю об акулах с более торпедообразными головами, таких как большая белая, которая заставит меня задохнуться в клетке на каком-то этапе в будущем. Эти акулы используют свой хвост, или хвостовой плавник, чтобы продвигать себя вперёд, толкая воду вокруг грудных плавников, которые они могут наклонять вверх и вниз, чтобы создавать положительную или отрицательную подъёмную силу для движения вверх и вниз. Наряду с их вертикальными плавниками, которые позволяют акулам двигаться из стороны в сторону, это даёт акулам невероятную манёвренность — эквивалентную автомобилю (приблизительно равному массе одной акулы), выполняющему разворот в вашей гостиной.
Однако есть что-то ещё, что весьма примечательно в акуле и том, как она взаимодействует с окружающей жидкостью. Чтобы понять, что это такое, нам нужно лишь заглянуть под кожу. Быстро плавающие акулы имеют кожу, состоящую из миллионов крошечных чешуек в форме зубов, известных как дермальные дентикли или плакоидные чешуи. Эти дентикли позволяют акуле делать то, что пытаются сделать механики-жидкостники по всему миру: они уменьшают сопротивление в режимах турбулентного потока.
Когда жидкость течёт вокруг объекта, на молекулярном уровне жидкость, непосредственно прилегающая к объекту, имеет тенденцию прилипать к поверхности, а не скользить по ней. В гидродинамике мы называем это «условием отсутствия проскальзывания». Жидкость течёт слоями, поэтому следующий (молекулярный) слой жидкости будет двигаться почти с той же скоростью, что и прилипший слой, но на него также будет влиять следующий слой, который, в свою очередь, будет влиять на следующий, и это происходит снова и снова, пока мы не достигнем слоя, который движется почти со скоростью окружающей жидкости (скорость набегающего потока).
В результате образуется тонкий слой жидкости, в котором скорость быстро меняется от скорости объекта до скорости набегающего потока. В механике жидкости мы называем этот слой «граничным слоем», и толщина граничного слоя будет зависеть от вязкости жидкости: более вязкие жидкости дают более толстые граничные слои, чем менее вязкие жидкости. Если бы я вращался в чане с мёдом, граничный слой мёда, образовавшийся на мне («объекте»), был бы толще, чем граничный слой, образовавшийся, если бы я вращался в чане с водой. Оба этих граничных слоя были бы толще, однако, чем граничный слой джина. Граничные слои возникают, когда любая вязкая жидкость (все те жидкости, о которых мы говорили ранее) сталкивается с твёрдым объектом или границей, что происходит практически везде.
Когда пограничный слой ведёт себя хорошо и течёт слоями, как и должно быть, он называется ламинарным. Если пограничный слой становится нестабильным, однако — что часто может происходить в быстротекущей жидкости, такой как вода, проходящая над акулой, мчащейся по океану, — слой может оторваться от поверхности объекта. Эта точка отрыва называется точкой отрыва. Если он оторвётся, этот слой столкнётся с быстротекущей жидкостью, образуя продольные вихри, которые станут турбулентными, создавая «турбулентный след» за объектом, что затем вызывает сопротивление. Именно этого мы не хотим видеть на поверхности самолёта: большее сопротивление означает повышенный шум и рассеивание энергии, что делает самолёты менее экономичными и ставит под угрозу управление.
Акулы решили эту проблему. Промежутки между их дермальными дентиклами по сути обеспечивают микроскопические карманы, в которых эти отделённые вихри могут творить свои вихри, позволяя быстротекущей жидкости течь прямо сверху, уменьшая общее сопротивление. Именно поэтому на мяче для гольфа есть ямочки: заставляя формироваться крошечные вихри (и, таким образом, тонкий турбулентный пограничный слой), мы уменьшаем размер следа и минимизируем сопротивление, ощущаемое мячом. Движение акулы (немного) сложнее, чем у мяча для гольфа, но физика по сути та же. (Некоторые акулы вообще обошли проблему, связанную с быстрым движением, вызывающим турбулентность. Эполетные акулы эволюционировали с двумя наборами плоских парных плавников, которые они используют, чтобы ходить по песчаному морскому дну. Они, конечно, могут плавать, но когда они это делают, то на своих условиях.)
Заключение
Одно можно сказать наверняка: турбулентность возникает практически в каждой ситуации, когда течёт жидкость. Турбулентность возникает в любом масштабе: от крошечных вихревых структур между дермальными дентиклами акулы до молока в вашем утреннем кофе, до завихрений и водоворотов в быстротекущей реке, до границ струйных течений в атмосфере Земли, до выбросов корональной массы из плазмы, окружающей Солнце. Если бы мы могли понять, как и почему это происходит, мы могли бы сделать целый ряд полезных вещей, таких как повышение надёжности и снижение риска, связанного с альтернативной энергетикой, такой как ветровая и приливная. Или лучше понять и смоделировать «турбулентный поток людей» — толпы, наплывы больших групп и массовую миграцию.
Мы также стали бы лучше смешивать вещи более эффективно, что важно как в больших промышленных процессах, так и в тонком искусстве приготовления напитка «Майло». И мы сможем проектировать более совершенные самолёты, гораздо более быстрые и экономичные, чем всё, что было раньше (как «Конкорд», если бы он не был шумным, и не имел бы чрезвычайно неэффективных двигателей, а крылья, спроектированные для сверхзвукового крейсерского полёта, не были бы особенно эффективными во время взлёта, посадки и дозвукового полёта).
Но, как отмечалось ранее, переходная турбулентность довольно сложна. Так что, пока мы продолжаем работать над этой (до сих пор нерешённой) грандиозной задачей физики жидкости, мы можем продолжать учиться у животного мира, тысячелетия эволюции которого делают их лучше нас во всём. Кроме Брюса, механической акулы из «Челюстей», у которой никогда не было дермальных дентиклей, и в результате он ушёл на пенсию.