На пути к бионике - [61]
Было проведено громадное число опытов. В бассейнах буксировали созданную из металла модель дельфина с точно воспроизведенными пропорциями тела животного; в гидродинамической трубе производили "продувку" дельфина и пристально наблюдали за тем, как окрашенные чернилами капельки воды разбиваются на сотни мельчайших нитей и плавно огибают тело животного; под микроскопом тщательно изучали кожу дельфина. Обобщив результаты собственных экспериментов и исследований, а также материалы, собранные учеными разных стран, Крамер заявил, что быстроходность дельфина обеспечивается не только идеальной формой его тела и сильной мускулатурой хвоста, но и особой структурой кожи животного. Последнюю Крамер поставил на первое место, считая, что вся тайна "антитурбулентности" дельфина заключается в структуре его кожи.
Детальный анализ микроскопического разреза кожи дельфина показал, что структура ее очень тонкая и сложная. Эпидермис состоит из двух слоев: тонкого наружного и лежащего под ним росткового, или шиловидного. В ячейки росткового слоя снизу по одному входят упругие сосочки дермы, напоминающие зубцы резиновой щетки для чистки замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы сильнее развиты в тех местах, где ощущается большее давление воды при поступательном движении: в лобной части головы, на передних краях плавников и т. д. Ниже сосочков дермы располагается густое сплетение коллагеновых и эластиновых волокон, пространство между которыми заполнено жиром. Такое строение кожного покрова не только защищает организм дельфина от потерь тепла и повышает силу сцепления эпидермиса с дермой, но и действует как превосходный демпфер. Там, где вода, обтекающая быстро плывущего дельфина, должна была бы образовывать маленькие вихри турбулентного течения, кожа прогибается внутрь и как бы вбирает в образовавшееся углубление потенциально опасный в смысле турбулентности участок водной среды. Зарождающееся в этом месте завихрение оказывается как бы изолированным от других частиц воды, проносящихся мимо. Таким образом обеспечивается гладкое, или ламинарное, обтекание дельфина. Этот принцип ламинаризации обтекающего потока воды ученые назвали "стабилизацией граничной поверхности распределенным гашением".
Рис. 17. Разрез дельфиньей кожи (схема): 1 - эпидермис; 2 - дерма; 3 - жировой пласт; 4 - подкожная мускулатура; 5 - верхний роговой слой эпидермиса; 6 - ростковый слой эпидермиса; 7 - ячейки росткового слоя; 8 - шиловидные сосочки дермы; 9 - подсосочковый слой дермы; 10 - пучки коллагеновых волокон; 11 - пучки эластиновых волокон; 12 - жировые клетки (по А. Г. Томилину)
Рис. 18. Расположение гребней под тонким роговым слоем: вверху - у обыкновенного дельфина, внизу - у морской свиньи (по П. Пурвесу)
Вот что пишет по этому поводу крупнейший советский специалист по китообразным, доктор биологических наук, профессор А. Г. Томилин: "В 1963 г. английский зоолог Пурвес обратил внимание на расположение в коже китообразных дермальных гребешков, направленных вдоль струй потока. Для их изучения с поверхности кожи обыкновенного дельфина осторожно удаляли тонкую кожицу рогового слоя и рассматривали гребни под бинокулярной лупой. Оказалось, что на боках тела (кроме их нижней трети) гребни направлены косо вверх и назад под углом 309 к продольной оси животного. На хвостовом стебле гребни были такой же ориентации, что и на боках тела, а на грудных и спинном плавниках располагались горизонтально. Ученые предполагают, что расположение дермальных гребней в коже китообразных способствует ламинаризации потока. У тихоходных морских свиней гребни располагаются иначе, чем у быстроходных дельфинов"*.
* (А. Г. Томилин. История слепого кашалота. М., "Наука", 1965, стр. 156-157.)
Раскрыв секрет "парадокса Грея", Крамер начал работать над созданием искусственной дельфиньей кожи в надежде одеть в нее корабли голубых дорог. По замыслу Крамера, мягкая резиновая диафрагма, будучи чувствительной к колебаниям давления, должна была воспринимать турбулентные пульсации в пограничном слое и передавать их вязкой демпфирующей жидкости, заполняющей промежутки в конструкции покрытия. Таким образом создавались необходимые условия для поглощения энергии турбулентных пульсаций за счет упругих свойств резины и вязкости жидкости, то есть для ламинаризации пограничного слоя.
Первая экспериментальная мягкая оболочка - искусственная дельфинья кожа, получившая название "ламинфло" (от слов ламинарное течение), была изготовлена из двух, а затем из трех слоев резины общей толщиной 2,5 миллиметра. Гладкий наружный слой (толщиной 0,5 миллиметра) имитировал эпидермис дельфина, средний, эластичный, с гибкими стерженьками и демпфирующей жидкостью (толщиной 1,5 миллиметра) был аналогичен дерме с ее коллагеновой и жировой тканями, а нижний (0,5 миллиметра) играл роль опорной пластины. Демпфирующая жидкость при давлении сверху могла перемещаться в пространствах между стерженьками: она играла роль демпфера - гасителя вихрей в слое воды, ближайшем к корпусу модели.
Искусственную дельфинью кожу испытывали на моделях, которые буксировали по заливу вблизи Лос-Анджелеса. Три модели были покрыты разными образцами "ламинфло", несколько различавшимися по структуре. Для сравнения в качестве эталона использовали четвертую модель, без покрытия. Модели буксировал мощный катер, специальные приборы измеряли сопротивление для каждой модели, и их показания передавались по радио на катер. Предположения Крамера подтвердились: сопротивление воды для всех трех моделей, покрытых искусственной дельфиньей кожей, было гораздо меньше, чем для модели без покрытия, турбулентное течение заменилось ламинарным. У небольшой торпеды, "укутанной" в мягкую резиновую оболочку, сопротивление трению о воду снизилось почти наполовину! При испытании небольшого катера было обнаружено, что обшивка "ламинфло" дает наибольший эффект при скорости движения судна около 40-50 километров в час, то есть близкой к предполагаемой максимальной скорости передвижения дельфина.
