Как плавают рыбы

За многомиллионный период эволюции рыбы приобрели разнообразные формы тела, соответствующие среде их обитания. По строению туловища рыбы, окраске чешуи, даже цвету мяса можно установить, где она живет, чем питается, как перемещается в водном пространстве.

Хрящевые рыбы, чей скелет состоит из мягких хрящей, не имеют плавательного пузыря. Поэтому, как это ни парадоксально звучит, чтобы не утонуть, они должны находиться в постоянном движении или вести придонный образ жизни (может быть, от них пошло выражение «уйти на дно»). На определенной глубине хрящевых рыб удерживает подъемная сила плавников.

Костные рыбы обладают жестким скелетом. У них есть плавательный пузырь, который помогает им удерживаться на заданной глубине. Изменяя объем пузыря, рыба меняет плотность своего тела и перемещается вверх или вниз. При движении она использует в качестве тормоза плавники. Движение вперед костным рыбам обеспечивает бегущая вдоль туловища волна — мышечные сокращения. Поэтому они могут плавать с высокой скоростью, практически не затрачивая энергии.

Долгое время считалось, что для того чтобы всплыть из глубины в поверхностные слои воды, рыба раздувает свой плавательный пузырь; тогда объем ее тела увеличивается, вес вытесняемой воды становится больше ее собственного веса — и, по закону плавания, рыба поднимается вверх. Чтобы прекратить подъем или опуститься вниз, она, напротив, сжимает свой плавательный пузырь. Объем тела, а с ним и вес вытесняемой воды уменьшаются, и рыба опускается на дно. Такое упрощенное представление о назначении плавательного пузыря бытовало довольно долго, пока не была обнаружена полная несостоятельность этой теории.

Пузырь имеет, несомненно, весьма тесную связь с плаванием рыбы, так как рыбы, у которых пузырь был при опытах искусственно удален, могли держаться в воде, только усиленно работая плавниками, а при прекращении этой работы падали на дно. Какова же истинная его роль? Весьма ограниченная: он лишь помогает рыбе оставаться на определенной глубине – именно на той, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Когда же рыба работой плавников опускается ниже этого уровня, тело ее, испытывая большое наружное давление со стороны воды, сжимается, сдавливая пузырь; вес вытесняемого объема воды уменьшается, становится меньше веса рыбы, и рыба неудержимо падает вниз. Чем ниже она опускается, тем сильнее становится давление воды, тем больше сдавливается тело рыбы и тем стремительнее продолжает оно опускаться.

То же самое, только в обратном направлении, происходит тогда, когда рыба, покинув слой, где она находилась в равновесии, перемещается работой плавников в более высокие слои. Тело ее, освободившись от части наружного давления и по-прежнему распираемое изнутри плавательным пузырем (в котором давление газа находилось до этого момента в равновесии с давлением окружающей воды), увеличивается в объеме и вследствие этого всплывает выше.

Чем выше рыба поднимается, тем более раздувается ее тело и тем, следовательно, стремительнее ее подъем.

Помешать этому, «сжимая» пузырь, рыба не в состоянии, так как стенки ее плавательного пузыря лишены мышечных волокон, которые могли бы активно изменять его объем.

Итак, вопреки существовавшему ранее мнению, рыба вовсе не может произвольно раздувать и сжимать свой плавательный пузырь. Изменения его объема происходят пассивно, под действием усиленного или ослабленного наружного давления. Эти изменения объема для рыбы не только не полезны, а, напротив, приносят ей вред, так как обусловливают либо неудержимое, все ускоряющееся падение на дно, либо столь же неудержимый и ускоряющийся подъем на поверхность. Другими словами, пузырь помогает рыбе в неподвижном положении сохранять равновесие, но равновесие это неустойчивое.

Способ передвижения повлиял и на внутреннее строение рыб. У быстро плавающих костных рыб отлично развита мускулатура. Ее интенсивная работа требует большого количества кислорода, который поступает по сосудистой сети. В свою очередь наличие кислорода влияет на цвет мяса: у быстрых пловцов, лосося и тунца, мясо красного цвета, у медленно плавающих рыб вроде карпа — белого.

Из хрящевых хуже всех плавают придонные рыбы. Они даже утратили обтекаемую форму. В частности, камбала плавает лишь за счет колебательных движений спинного и анального плавников, а ее тело остается неподвижным.

Скат передвигается подобно птицам. Он нахватывает воду грудными плавниками и отбрасывает ее вниз и назад, сделав несколько взмахов. Создается впечатление, что рыба как бы парит в воде.

Некоторые рыбы, ведущие малоподвижный образ жизни, постепенно утрачивают чешуйчатый покров, являющийся своего рода смазочным материалом, снижающим силу сопротивления воды. Так, домашний карп, выведенный в прудах, не имеет сплошной чешуи. Но ее отсутствие не мешает ему существовать в пресноводных водоемах, где у него нет врагов.

ЗАГАДКА ПЛАВАНИЯ РЫБ

Доктор физико-математических наук В. МЕРКУЛОВ.

Прошедший ХХ век имеет в своем активе огромные достижения в области гидродинамики. Теоретические, вычислительные и эксперимен тальные методы позволяют решать любую научную и практическую задачу гидродинамики. Однако есть одна проблема, над которой безуспешно трудились многие научные коллективы и которая перешла почти в неизменном виде в XXI век. Это проблема снижения гидродинамического сопротивления.

Чтобы правильно оценить потенциальные возможности в этом направлении, обратимся к рекордсмену подводного плавания – меч-рыбе. Взрослая особь этой крупной и очень сильной рыбы вырастает до четырех метров в длину и набирает массу до полутонны. Ее верхняя челюсть вытянута в длинный мечевидный отросток – рострум. Биологи считают это странное образование оружием, которым меч-рыба оглушает добычу, врываясь в косяки макрели и тунцов.

В Соединенных Штатах Америки ловля меч-рыбы – национальный вид спорта. Ловят меч-рыбу на спиннинг, и для рыбака представляется прекрасная возможность инструментального определения ее скорости.

Согласно публикациям, меч-рыба может развивать скорость до 130 км/ч. Украинские ученые изготовили модель меч-рыбы, подвесили ее на быстроходный катер и определили сопротивление модели и требуемую для движения мощность. В пересчете на скорость и размеры рыбы модель испытывает сопротивление 4000 Н (408 кгс) и требует для своего движения мощность 100 л.с. (73,6 кВт)!

Легко понять, что такие параметры недостижимы для рыбы и, следовательно, законы гидродинамики допускают движение с гораздо меньшим сопротивлением, чем это реализовывается во всех наших моделях. Значит, снизить сопротивление вполне возможно и наши попытки в этом направлении не противоречат физическим законам.

Кроме приведенных выше экспериментальных данных можно привести некоторые теоретические соображения, доказывающие возможность значительного уменьшения сопротивления.

По закону Ньютона, касательное трение в вязкой жидкости равняется произведению вязкости на градиент скорости (градиент показывает, с какой скоростью изменяется какая-то величина при перемещении на единицу расстояния). Для продольного обтекания пластины градиент скорости обратно пропорционален корню квадратному из вязкости. Таким образом, касательное трение в этом случае оказывается пропорциональным корню квадратному из вязкости. В то же время для течения в кольцевом зазоре градиент скорости не зависит от вязкости и касательное трение оказывается пропорциональным первой степени вязкости. Если учесть, что динамическая вязкость воды имеет порядок величины 10 -6 , то касательное трение для пластины и такой же поверхности в кольцевом зазоре будет различаться в тысячу раз.

Примером внешнего течения с малым градиентом скорости может служить движение тороидального вихря вдоль собственной оси симметрии. При расчетах область течения разбивается некоторой сферой на две части: внешнее невязкое течение вне сферы и внутреннее вихревое течение внутри сферы.

На границе раздела касательная скорость обоих течений совпадает, поэтому внешнее течение обладает нулевым сопротивлением. Внутреннее кольцевое течение в силу своей ограниченности имеет сопротивление трения, пропорциональное первой степени вязкости. Именно этим свойством объясняется удивительная способность кольцевого вихря быстро и далеко перемещаться в воздухе. Чтобы использовать поразительные свойства кольцевого вихря в практических целях, необходимо воспроизвести течения в нем на некотором теле.

Любую поверхность, составленную из линий тока, можно рассматривать как поверхность некоторого тела. Внутри кольцевого вихря имеется множество поверхностей, которые можно считать вложенными один в другой торами (на самом же деле это туго свернутая спираль). Размещение внутри вихря тела подходящей формы сохранит внешнее течение с нулевым сопротивлением только в том случае, если мы компенсируем торможение потока, создаваемое поверхностью тела.

В морской воде необходимые силы можно создать постоянными электрическими и магнитными полями.

Для этого нужно собрать конструкцию в форме тора из чередующихся кольцевых магнитов и электродов. Их полюса создают взаимно перпендикулярные электрические и магнитные поля, которые заставят электропроводящую жидкость двигаться вокруг поверхности тора, создавая объемную силу, компенсирующую торможение потока.

Как показали вычисления, при напряженности магнитного поля на полюсах в одну тесла, достижимой применением постоянных магнитов, для движения тора диаметром 2 м со скоростью 10 м/с требуется электрическая мощность 300 Вт. Это в сто раз меньше, чем нужно для буксировки пластинки эквивалентной площади (несмотря на то, что электрический коэффициент полезного действия при указанных параметрах составляет всего 6%).

Объемную силу можно создать только в электропроводящей жидкости. В пресной воде и тем более в воздухе такая возможность отсутствует. Поэтому представляет интерес рассмотреть течения с малым градиентом, создаваемые за счет деформации границы по закону бегущей волны.

Такая постановка задачи впервые была сформулирована автором в шестидесятых годах. Тогда же под его руководством провели ряд теоретических и экспериментальных исследований вихревых структур как на дельфине, который выступал прототипом, так и в лабораторных условиях.

В отличие от течения вдоль неподвижной границы, когда образуется пограничный слой с большим градиентом скорости, бегущая волна перестраивает течение в периодическую структуру с малым градиентом скорости. При некоторых значениях фазовой скорости и амплитуды бегущей волны суммарное трение обращается в нуль. Естественно, возникает вопрос, какой ценой достигается этот результат. Энергетические потери состоят из двух слагаемых разной природы. Первое – это вязкие потери в жидкости. Поскольку градиент рассматриваемого течения невелик, то и потери эти, пропорциональные вязкости, оказываются очень малыми. Второе слагаемое – потери в самом упругом покрытии. При резонансных колебаниях материала в потоке жидкости основная, и не малая, энергия должна перекачиваться из упругой формы в кинетическую. Другая часть энергии рассеивается в материале. Эти потери могут компенсироваться либо за счет энергии потока, что приведет к пропорциональному увеличению сопротивления, либо за счет внешнего источника энергии.

Отдельно стоит вопрос о механизме и энергии, необходимых для первоначального формирования вихрей. При подходящем выборе упругих параметров удается добиться того, чтобы в носовой части бегущая волна возбуждалась за счет энергии внешнего потока, а в кормовой волна исчезала, возвращая энергию в поток.

Обратимся теперь вновь к меч-рыбе, с которой начался рассказ.

Заметим, что похожую форму и, как мы предполагаем, аналогичный механизм снижения сопротивления имеет и еще один хороший пловец – полярный дельфин-нарвал. Интересная деталь: левый верхний зуб у самцов нарвала развивается в спирально закрученный бивень длиной до трех метров, похожий на рострум меч-рыбы. Назначение его неясно. Не в них ли секрет быстрого и экономичного плавания меч-рыбы и наврала?

Наша гипотеза состоит в том, что рострум и бивень служат генераторами вихрей. Исследования показали, что при обтекании тонкого гладкого тела спиральные вихри не возникают. В потоке образуется пограничный слой, который отрывается сразу за телом, создавая мощные завихрения. Давление в них падает, оказывая на тело тормозящее действие. Такое же тело, но с шероховатой поверхностью, возмущает пограничный слой, превращая его в вихревое (турбулентное) течение. Последующее действие этих вихрей легко себе представить. Они переходят с рострума на тело рыбы или дельфина, где перестраивают пограничный слой в такое же периодическое течение, как это делает бегущая волна со всеми вытекающими из этого последствиями.

Меркулов В. И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. – М., 1989.

Сымрай А. Г. Корабль. Его прошлое, настоящее и будущее. – М., 1967.

Почему рыбы не тонут?

Всем известно, хотя бы из приключенческих и военных кинофильмов, как маневрирует на глубине подводная лодка. У неё есть специальные цистерны, куда можно закачивать забортную воду либо вытеснять её сжатым воздухом. Больше воды — лодка тяжелеет и погружается глубже, больше воздуха — всплывает.

Фото: © Виктор Застольский / Фотобанк Лори

Примерно так же поступают и многие рыбы. Только цистерна у них эластичная, меняющая свой объём — это плавательный пузырь, лежащий в брюшной полости. Вы наверняка его видели, если когда-либо наблюдали, как чистят свежую рыбу.

Типичная рыба примерно на 5% тяжелее воды. Если она не будет прилагать усилий, то опустится на дно. Плавательный пузырь уравнивает удельный вес рыбы с удельным весом воды, что позволяет рыбе висеть неподвижно, не всплывая и не опускаясь. А чтобы ненамного изменить глубину, достаточно слегка подрабатывать плавниками. Регулировать глубину, разумеется, надо и на ходу. Физиологи определили, что плавательный пузырь, поддерживая плавучесть при небольшой скорости, экономит рыбе до 60% усилий, а при быстром движении — более 5%. Кстати, человек при неглубоком дыхании имеет тот же удельный вес, что и вода, а сделав глубокий вдох, он становится легче воды. Так что утонуть нам не так-то легко.

В эволюции плавательный пузырь возник из кишечника. Часть пищевода или желудка обособилась и стала служить не для питания, а для регуляции удельного веса рыбы. На этом этапе эволюции находится, например, песчаная акула: у неё нет плавательного пузыря, но часть желудка обособлена в виде кармана, в который акула заглатывает немного воздуха, чтобы не тонуть.

У некоторых рыб (например, лососёвых, сельдей, карпов) между плавательным пузырём и пищеводом остался узкий канал. Они могут, всплыв на поверхность, заглотить в пузырь воздух, что позволит оставаться в верхних слоях водоёма. Если надо погрузиться глубже, рыба может немного выдохнуть.

Карп (Cyprinus carpio carpio) может заглотить немного воздуха, всплыв на поверхность, и он попадёт в плавательный пузырь из пищевода по узкому каналу. Фото Сергея Горланова

У других рыб (тресковых, окунёвых, хека) пузырь совершенно замкнут и отделён от кишечника. Для того чтобы поддуть или слегка спустить его, нужен насос. Насоса у таких рыб даже два, и расположены они в самом пузыре. Особая железа посредством хитрого биохимического механизма забирает газы из крови (а туда они попадают через жабры из воды — ведь в воде даже на большой глубине растворены газы воздуха) и выводит их в пузырь. На другом конце пузыря имеется участок, пронизанный кровеносными сосудами. Через них газы при необходимости переносятся обратно в кровь. Оба процесса идут довольно медленно.

А зачем рыбам вообще менять глубину? Прежде всего, в погоне за пищей, например планктоном, который то всплывает, то погружается. Ещё — чтобы скрыться от хищников, поджидающих на определённой глубине. Некоторые виды всплывают или погружаются для нереста, а вне периода размножения живут на другой глубине.

Наконец, у многих рыб плавательного пузыря вовсе нет. Это донные виды, например камбала, которые тихонько плавают у дна и собирают с него пищу. Плавательного пузыря нет у хрящевых рыб — акул и скатов. Возможно, потому, что их скелет, состоящий из хрящей, легче костного скелета других рыб. Обходятся без пузыря и быстро плавающие хищные рыбы, например тунец, атлантическая скумбрия (её скорость в броске достигает 77 км/ч). Мощная мускулатура этих хищников позволяет им быстро менять глубину и сопротивляться погружению. Но вывести какое-то общее правило — у кого и почему пузырь есть, а у кого нет — довольно трудно. Из двух близкородственных видов со сходным образом жизни один может не иметь пузыря, у другого он вполне развит.

Камбалы, как и многие другие донные рыбы, обходятся вообще без плавательного пузыря. На фото: леопардовая камбала, или пятнистый ботус (Bothus pantherinus). Фото: © Сергей Дубров / Фотобанк Лори

У рыб есть и иные способы снизить удельный вес, чтобы не тонуть. Например, накапливать жир, ведь он легче воды. Так, у одного из видов акул печень на 75% состоит из жира (у млекопитающих в печени 5% жира). Другой вариант — за счёт активной работы почек избавляться от тяжёлых солей в крови и других жидкостях внутри тела. Недаром моряки, потерпевшие кораблекрушение, если в шлюпке кончился запас пресной воды, пьют сок, выжатый из морских рыб: он почти пресный.

Но если какой-то орган у живого организма есть, надо использовать его как можно шире, чтобы зря не простаивал. Некоторые рыбы издают с помощью своего пузыря звуки, другие используют его как резонатор для повышения чувствительности слуха. Пузырь может служить датчиком глубины: при всплытии его объём увеличивается, при погружении уменьшается, и нервные окончания это чувствуют. Наконец, воздух из пузыря рыба может использовать как запас для дыхания при спринтерском рывке.

И вот что интересно: из плавательного пузыря рыб возникли лёгкие наземных позвоночных, в том числе человека.

Оценка статьи:

Загрузка...