Новое захватывающее исследование изучает, как олуши (птицы рода Sula) могут снижать потенциально смертельные последствия своих высокоскоростных вертикальных погружений, создавая подушку из пузырьков «суперкавитации» при ударе о воду.
«Считается, что тела олуш, которые могут нырять со скоростью, близкой к 100 км/ч, чтобы поймать добычу, обладают определёнными адаптациями для защиты от сильных ударов», — говорит доктор Ёсинобу Инада, профессор кафедры аэронавтики и космонавтики в Университете Токай, Япония. «Желание раскрыть и понять эти адаптации вдохновило нас начать это исследование».
Это исследование будет представлено на ежегодной конференции Общества экспериментальной биологии в Антверпене, Бельгия, 10 июля 2025 года.
Кавитация возникает, когда объект движется в воде с высокой скоростью, и давление вокруг него падает ниже давления водяного пара, вызывая образование пузырьков. Когда большое количество этих пузырьков появляется на достаточно высокой скорости и охватывает весь объект, это называется «суперкавитацией». Это явление, помимо прочего, снижает сопротивление.
«Нас интересует не снижение сопротивления, а смягчение удара», — говорит доктор Инада. «Мы думаем, что, когда олуши ныряют в воду, может происходить суперкавитация, и пузырьки могут работать как подушка, смягчающая удар».
Доктор Инада и его команда предполагают, что олуши могут специально нырять на высокой скорости, чтобы вызвать этот защитный эффект кавитации.
«Без этой подушки удар о воду на скорости 100 км/ч вызвал бы массивный удар — вероятно, достаточно сильный, чтобы сломать кости или даже привести к летальному исходу», — говорит доктор Инада.
Для проверки этой гипотезы доктор Инада и его команда точно воссоздали голову олуши, используя существующую компьютерную томографию их черепа и создав 3D-модель.
«Затем мы напечатали модель на 3D-принтере, чтобы сделать физическую копию, и установили внутрь неё акселерометр для измерения сил удара во время столкновений», — говорит доктор Инада.
Чтобы запустить модель со скоростью, приближающейся к 100 км/ч, им также нужно было построить специальную пусковую установку, а затем они сняли модель, быстро опускающуюся в воду, высокоскоростной камерой.
Обнадёживающим предварительным выводом этого проекта является то, что, хотя сила удара о воду в целом увеличивалась с увеличением скорости погружения, доктор Инада и его команда наблюдали повторяющиеся случаи, когда сила удара снижалась после достижения очень высоких скоростей, что было связано с образованием большого количества пузырьков.
Анализ видеоматериалов привёл доктора Инаду и его команду к мысли, что эти пузырьки помогают смягчать сокрушительные силы удара за счёт кавитации.
«Мы подозреваем, что снижение удара может быть связано с суперкавитацией, поэтому мы сейчас готовим дополнительные эксперименты, чтобы увидеть, сохранится ли этот эффект в различных условиях высокой скорости», — говорит доктор Инада.
Кавитация чаще используется в животном мире морскими хищниками как средство выведения из строя или убийства добычи, как это видно на примере быстрых атакующих когтей креветок-богомолов или дебилитирующих «ударов хвостом» акулы-молота.
Суперкавитация уже используется в водной инженерии для достижения более высоких скоростей подводных аппаратов за счёт снижения сопротивления, но также может быть применена для смягчения ударных нагрузок.
«Если мы сможем подтвердить, что суперкавитация действительно помогает снизить этот удар, это может быть действительно полезно для искусственных объектов, входящих в воду на высоких скоростях», — говорит доктор Инада. «Например, это может быть применено при проектировании космических аппаратов, приводящихся в море при возвращении на Землю».
Хотя эти кавитационные пузырьки наблюдались в повторных экспериментах, эти выводы всё ещё предварительны, и доктор Инада хотел бы продолжить проведение этих экспериментов при ещё более высоких скоростях погружения в 100 км/ч, с которой, как известно, ныряют северные олуши.
Предоставлено Обществом экспериментальной биологии.