Техника - молодёжи 1972-09, страница 16

«машущее крыло». Его достоинства обусловлены уже самим принципом действия

Колеблющийся хвостовой плавник генерирует кольцевые вихри, а они, в свою очередь, рождают струю воды, направленную от хвоста. Площадь, ометаемая плавником, а следовательно, и поперечное сечение реактивной струи очень велики. У быстроходных видов — дельфинов, тунцов, акул они в несколько раз превосходят поперечные размеры самого тела. Коэффициент полезного действия получается довольно высоким.

Испытания моделей машущего движителя показали, что в швартовом режиме, то есть в закрепленном положении, он создает по сравнению с обыч ными в 4 раза больший упор. Вот почему дельфины умеют стоять в вертикальном положении, почти полностью выйдя из воды. По той же причине тяжелый майский жук с короткими крыльями может висеть в воздухе.

Почему же конструкторы не копируют столь эффективный природный механизм? Да потому, что он очень сложен и динамически неуравновешен. Но кое-что все же есть смысл от него позаимствовать. Например, можно построить контрроторный движитель, лопасти которого во время вращения перекладываются подходящим образом.

Способы создания тяги — лишь часть рыбьих секретов. Другая сторона дела связана с эффекта ми уменьшения гидродинамического сопротивления. Ведь если к тому не приняты меры, то и атомная силовая установка в десятки тысяч лошадиных сил не заставит подводную лодку двигаться достаточно быстро. Перенести форму, скажем, акулы на подводный аппарат не составляет большого труда. И проектировщики широко используют эти «патенты» живой природы.

Исследователи обратили внимание и на слизистые выделения костистых рыб. Как оказалось, даже очень слабые растворы слизи и синтетических полимеров уменьшают турбулентное трение в трубах на 40—60%. Такой же результат дают амино

кислоты, выработанные некоторыми водорослями.

По-видимому, длинные и упругие молекулы примеси вместе с присоединившимися к ним молекулами воды препятствуют появлению мелких турбулентных пульсаций, которые ответственны за превращение части механической энергии движителя в невозвратимо рассеивающееся тепло.

Попытки выдавливать за борт полимерные примеси пока нельзя назвать удачными. Хотя при этом гидродинамическое сопротивление действительно уменьшается, расход полимера все же очень велик. А вот рыбы как-то умеют обходиться совсем небольшими количествами слизи.

Впрочем, самые быстроходные обитатели моря — дельфины, акулы, меч-рыба — не имеют никаких выделений. Но природа нашла другой способ уменьшить сопротивление движению. Набегающий поток возбуждает волну, бегущую вдоль упругого кожного покрытия. Примерно так ветер полощет флаг. Разница в том, что колебания кожи строго регулярны.

Бегущая вдоль тела волна взаимодействует с потоком жидкости, в результате появляется противоположно направленное периодическое течение (см. цветную вкладку). Несколько упрощая, можно сказать, что вблизи кожного покрова возникают жидкие ролики. Они как бы заменяют большое трение скольжения малым трением качения.

Характер шероховатости меч-рыбы хорошо согласуется с таким механизмом для уменьшения сопротивления. Однако этот способ очень деликатный, ибо система должна быть настроена точно в резонанс. Малейшее рассогласование не только не снизит, а даже повысит сопротивление. Причина — резкое увеличение нерегулярности (турбулентности) потока.

Как видим, не так-то просто соперничать в скорости с дельфином и его сородичами. Но знание секретов быстрого плавания — уже половина дела на пути к успеху в соревновании конструкторской мысли и природы.

НА ЦВЕТНОЙ ВКЛАДКЕ показаны способы плавания, которыми пользуются обитатели моря.

Кальмар выбрасывает воду из мускульного мешка и перемещается толчками.

Нож-рыба и угорь пропускают от головы к хвосту бегущую волну. Такой способ плавания привлек внимание художника-изобретателя Л. Митурича. Еще в 1930 году он получил авторсное свидетельство на гибкий движитель для судов. Как сказано в описании, он «представляет собой приводимые во вращение изогнутые стержни, расположенные внутри эластичного корпуса, в целях сообщения этому корпусу при помощи шатунов, связанных со стержнями, волнообразного движения».

Митурич даже построил модель корабля в форме рыбы. Модель переплывала пруд в московском парке Сокольники. Тогда, в 30-е годы, эксперты-судостроители говорили изобретателю: «Мы боремся с гибкостью судов, а вы ищете в ней какие-то динамические возможности. Смело, но фантастично и неактуально». И толь

ко теперь мы можем в полной мере оценить дерзкий замысел.

Хвостовой плавник — движитель типа «машущее крыло». С него срываются вихри, формирующие реактивную струю.

Современные конструкторы не прочь позаимствовать у акул или дельфи нов форму для подводных аппаратов. Японские инженеры, например, перенесли на некоторые суда очертания к и -т а. Мощность двигателей удалось снизить на 25%.

Контуры тела дельфина очень близки к аэродинамическим, но этим не ограничиваются секреты его быстрого плавания. Эластичность тела животного помогает возбуждать бегущую вдоль тела волну. В результате появляются жидкие ролики и уменьшают трение.

На соседнем рисунке показано строение кожи дельфина. Под верхним слоем находятся подкожные клетки, а в них вклинивается упругий жировой слой. Рядом — имитация дельфиньей кожи, предложенная американским гидродинамиком М. Крамером. Размер наружного слоя

0,5 мм, среднего эластичного с выступами — 2,5 мм. Зазоры между выступами и нижним слоем заполнены кремнийорганической жидкостью, которая может перемещаться из одной ячейки в другую.

Опыты с искусственной кожей дали любопытные результаты. Сопротивление покрытым ею водным лыжам снизилось на 36%, торпеде — на 60%. Интересно, что дельфины экономят затраты энергии и другим способом: плавая стаями. Групповое движение легче по сравнению с одиночным. Не зря детеныш дельфина всегда плывет несколько позади или сбоку от самки, в большой мере за счет ее энергии.

Новейшие данные о применении полимерных примесей, выбрасываемых за борт корабля для снижения сопротивления boj ды, приведены в сборнике статей «Химия в бою» (М., Воениздат, 1971). В частности, отмечено: в отдельных случаях, несмотря на значительный расход полимера, бывает выгодно им воспользоваться, — например, когда необходим стремительный маневр.

14