Стационарный пограничный слой на пластине в газовом потоке, страница 18

Все эти экспериментальные данные позволяют считать слизистое покрытие многих костистых рыб эффективным средством снижения гидродинамического сопротивления. Если к тому же принять во внимание, что молекулярный вес слизистых выделений значительно больше, чем у испытанных человеком синтетических полимеров, и способ подачи слизи в пограничный слой более совершенен, чем в опытах, то можно предположить, что рыбы достигают большего эффекта с меньшим расходом вещества, чем это осуществлено в экспериментах человека.

Использование гибких поверхностей. Теоретический анализ влияния полимерных добавок показывает, что они способны увеличить допустимые размеры и скорости, при которых сохраняется ламинарное течение, только в ограниченных пределах. Следовательно, крупные быстроплавающие рыбы и млекопитающие должны иметь другой механизм снижения сопротивления, не связанный со слизистыми выделениями на поверхности кожи.

Таким эффективным способом стабилизации ламинарного пограничного слоя может быть придание гибкости обтекаемой поверхности. Известно, что, например, дельфины развивают скорость, значительно большую той, которую можно ожидать, учитывая их форму. Это означает, что тело дельфина обладает очень малым сопротивлением трения, которое возможно объясняется упругостью кожи дельфинов, позволяющей пограничному слою оставаться ламинарным. Здесь уместно вспомнить об упругодемпфирующем покрытии, изобретенном американским инженером Крамером (1960), которое моделирует такое покрытие у дельфина. Не будем останавливаться на конструкции такого покрытия, а скажем только, что своими свойствами оно должно обеспечивать поглощение всех возмущений, развитие которых и приводит к разрушению ламинарного течения. Проведенные Крамером эксперименты показали, что его покрытие способно уменьшить сопротивление на 40%. Особенностью такого покрытия является то, что оно вызывает уменьшение сопротивления только в узком диапазоне скоростей. Вне этого диапазона это покрытие способно даже увеличить сопротивление. Не исключена возможность, что некоторые млекопитающие и рыбы пользуются именно таким способом снижения сопротивления. Кроме того, для расширения диапазона допустимых скоростей они могут регулировать упругие свойства своего покрытия. Однако и этот способ снижения сопротивления становится неэффективным с ростом размеров и скоростей. Поэтому даже у дельфина, скорость которого при длине тела два метра достигает 10 - 15 м/с, а тем более у тунца и меч-рыбы следует искать другой механизм снижения сопротивления.

Таким механизмом может быть бегущая по поверхности тела волна. Остановимся более подробно на том, какое именно течение формируется вдоль бегущей волны и благодаря чему она способна уменьшать сопротивление. Рассмотрим, как течет жидкость между гребнями волны. Передний фронт волны как бы выбрасывает жидкость в поток, а задний фронт откачивает эту жидкость. Таким образом, бегущая волна заставляет двигаться вдоль тела некоторому слою жидкости. Именно это обстоятельство и приводит к уменьшению сопротивления. Однако чтобы такое течение реализовалось, нужно выполнить несколько специальных условий. Прежде всего, длина волны должна быть достаточно малой. Это необходимо по двум причинам. Во-первых, на всей длине тела должно укладываться, по меньшей мере, несколько десятков таких волн, так как в первых из них, указанное течение только будет формироваться, и лишь последующие будут служить целям уменьшения сопротивления. Во-вторых, малый размер волны нужен еще и для устойчивости ламинарного течения между гребнями волн. При больших размерах волны это течение может разрушиться, превратившись в турбулентное течение. Вот почему бегущая волна, предназначенная для снижения сопротивления, должна в корне отличаться от крупномасштабной волны, которая обеспечивает водному животному тягу. Мы подчеркнули этот факт потому, что в популярной литературе часто смешивают эти два типа волн.