Гидробионика. Методы гидробионики. Гидродинамические и биологические особенности плавания гидробионтов

ВВЕДЕНИЕ

     1.Предмет гидробионика и его место в  цикле  наук  о  технических средствах движения в воде. Термин бионика  bion  (бион) - элемент или  ячейка  жизни.  Принято считать, что  БИОНИКА  оформилась как наука в 1960г.  на  американском научном конгрессе,  который был в городе Дейтоне  под  девизом  "Живые прототипы - ключ к новой технике".

БИОНИКА как наука появилась в результате интеграции  исследований в области биологии, математики, физики и кибернетики.  Биолог устанавливает качественные закономерности функционирования или строения  (морфологию) живых организмов,  обитающих в трех средах:

воздухе, воде и тверди.  Математик или физик строит модель этих биологических факторов  и  дает им соответствующее математическое описние в виде уравнений. Инженер строит различные технические модели живых гидробионтов в виде: приборов, датчиков, различных устройств, механизмов.

В нашей стране зарождение и становление бионики  обязано  работам акдемикоа  А.И.Берга  и Б.С.Сотского.

Втечение сравнительно небольшого отрезка времени 20-30 лет - совершенствовались ее методы, были получены интересные результаты, менялось представление об этой науке.

В настоящее время наиболее полное представление об этой науке дает следующее определение:  БИОНИКА - это наука, занимающаяся использованием проинципов организации и функционирования живых организмов и их элементов для совершенствования существующих и создания  принципиально новых технических средств.  Для этой цели в качестве прототипа используются живые организмы в виде животных и  растений,  которые  населяют три сферы земной оболочки.

ГИДРОБИОНИКА - это один из разделов науки БИОНИКА,  который занимается изучением  живых организмов,  населяющих водную сферу.  Главным образом Гидробионика занимается изучением принципов устройства структуры и функций органов ЛОКОМАЦИИ (органов движения) с целью совершенствования пропульсивных качеств и  маневренности  технических  средств движения в  воде (надводные и подводные суда,  ПА,  подводные роботы и тд.), а также для создания принципиально новых средств движения в  воде. В  качестве живых прототипов для создания и совершенствования технических средств движения в воде будут изучаться крупные  гидробионты:

китообразные: дельфины и киты,  скоростные рыбы, кальмары. Задача состоит в том,  чтобы изучить морфологию(строение) кожи, особенности корпуса и средств передвижения в виде плавников.

ГИДРОБИОНИКА, как наука начала оформляться в начале  80-х  годов. Некоторые закономерности  плавания крупных гидробионов используются в настоящее время при создании технических средств, для создания ПА:

1.Использование каплевидной  формы  корпуса (например,  дельфин - ламинаризованная форма);

2.Создание новых типов движителей - в виде машущего крыла,  водо-

мета и др.;

3.Использование упругих покрытий поверхности средств передвижения в воде (покрытий типа КРАМЕРА).  Эти упругие покрытия явл.  упрощенной моделью кожи  дельфина.  При  этом сопротивление может сокращаться в 2 раза!

Введение полимерных добавок в область пограничного слоя,  за счет  чего происходит резкое уменьшение сопротивления  (Яркий  представитель рыба МЕЧ, развивающая высокую скорость 70-100 км/час). У этой рыбы через поры выделяется слизь. Мускулы этой рыбы занимают 67% всей массы рыбы, что является биологическим пределом.  Наконец,  одной из особенностей движения гидробионтов является нестационарный  характер  движения. При  этом уменьшаются затраты мускульной энергии гидробионтов. В гидромеханике сформировался новый раздел -БИОГИДРОДИНАМИКА, в задачу которой входят  изучение  нестационарного движения твердых тел и тел с упругим покрытием в вязкой жидкости - на основе новых достижений в области теории пограничного слоя.

Создание теории машущего крыла - задача биогидродинамики.  В этой области много работ,  как зарубежных так и отечественных ученых - А.И. Некрасов, Н.Е. Кочин, М.В.Келдыш (занимались теорией флаттера).

2. МЕТОДЫ ГИДРОБИОНИКИ

Как и  любая естественная наука гидробионика включает в себя теоретические и экспериментальные методы.  Теоретические  методы  базируются  на современных достижениях в области аэрогидромеханики,  в области теории пограничного слоя,  теории крыла,  в области нестационарного  движения тел в идеальной и вязкой жидкости. Используемый математический аппарат в виде дифференциальных уравнений в  частных  производных,  различного рода численные методы в гидромеханике. В области кибернетики, вычислительной техники (реализация численных методов возможна  только  с  использованием ЭВМ).

Экспериментальные методы,  включают натурные,  полунатурные и модельные испытания,  живых гидробионтов либо их моделей в виде твердого тела или с эластичными  покрытиями.  Экспериментальные  методы  бывают прямые и обратные.  В любом случае при испытании живого гидробионта на экспериментальной установке должны быть близкие к естественным.  Главной проблемой является создание таких условий,  чтобы живой гидробионт успевал адаптироваться к этим условиям и вел себя  естественным  образом. При  этом  имеет значение соленость воды,  температура,  протяженность, наличие течения либо его отсутствие (цвет воды).

Прямой  эксперимент  проводится в натурных условиях - море, бухты

с использованием заградительных сеток либо используются океанаиумы. Недостаток прямых  методов  -  экспериментатор  не может целенаправленно проводить эксперименты,  надо тренировать дельфинов. В этом случае является предпочтительным метод обратный, когда гидробионт стоит на месте, а на него натекает поток (использование  принципа  обратимости)  в гидролотках. В стенках гидролотков устанавливаются прозрачные окна для производства съемки,  измерения характеристик пограничного  слоя  т.е. эксперимент можно осуществить целенаправленно, но здесь нарушается соответсвие естественных гидроусловий (этот метод используется для  изучения движения мелких рыб).

Вторая проблема - за счет движения водных масс повышается степень турбулентности водного  потока (у дельфина специальное покрытие - кожа для гашения этой турбулентности;  он ее чувствует и  гасит  с  помощью специальных систем.

3.ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ  И  БИОЛОГИЧЕСКИЕ            ОСОБЕННОСТИ ПЛАВАНИЯ ГИДРОБИОНТОВ

Общие гидродинамические  и биологические особенности гидробионтов по сравнению с техническими средствами (Подводные аппараты,  подводные суда) движения.  Эта особенность состоит в том, что у гидробионта движитель и корпус представляют собой единое целое. Нельзя отдельно выделить движитель  (т.к.  в локомации участвуют,  как корпус так и движитель). В то время как корпус судна и судовой движитель  таким  образом не взаимодействуют.  Корпус гидробионта совершает волнообразные движения и за счет этих движений,  работы хвостового плавника осуществляется движение гидробионта. Гидробионт является самонастраивающейся живой системой, которая реагирует на различные внешние возмущения: изменение температуры, изменение  степени турбулентности потока.  У дельфинов за счет самонастройки наблюдается соответствующее изменение кожного покрова (более жесткое или более эластичное кожное покрытие) за счет наполнения кровью.

Отметим некоторые морфологические особенности строения гидробионтов:

- относительно большая масса мышц,  являющихся  двигателем,  для рыб от  35% - 67%  от общей массы;

- для дельфинов 30% - 40% ;

- для китов 25% - 45%.

Центром управления  является мозг,  составляющий 0,15 - 0,70%  от всего веса тела.

 Для дельфина 0,25 - 1,60% . Для китов 0,02 - 0,25% от всего веса.

Отметим некоторые особенности формы корпуса скоростных гидробионтов. Эта  форма корпуса зависит от вида гидробионта и характера движения его. Для китов, дельфинов главный маневр передвижения в вертикальной плоскости.  Форма шпангоутов приближается к эллиптической с вертикальной большой осью в районе  хвостового  плавника  и  горизонтальной большой осью - плавник горизонтальный. Плавник вертикальный для маневрирования в горизонтальной плоскости.

Приведем общую  качественную характеристику крупных гидробионтов: рыб, китообразных и головоногих моллюсков.

Рыбы подразделяются на угревидные и скомброидные. Угревидные: угри, вьюны,  сабля рыба. Форма тела вытянутая (цилиндрическая либо сжатая с боков).  Поверхность гладкая,  либо встречается с мелкой чешуей, погруженной в корпус.  Движитель угревидный -  волнообразные  движения тела с  большой амплитудой.  По телу бежит волна и осуществляется пропульсивная тяга.  Хорошо обтекаемая  форма,  выделяется  биологическая слизь (уменьшение  трения  за счет ослабления турбулентных пульсаций).

Главный принцип - ЛАМИНАРИЗАЦИЯ потока у кожного покроваживых гидробионтов.