Движение китов
«Горизонтальный по своему положению хвост кита действует отлично от хвостов других морских тварей. Он никогда не виляет. Виляние — у человека ли, у рыбы ли — есть признак слабости». Герман Мелвил, американский писатель.
Так описывается движение китового хвоста в «Моби Дике», этой поэтичной энциклопедии китового промысла. Но какие бы объяснения ни давал Мелвил вертикальным взмахам хвоста, он, сам того не подозревая, обратил внимание читателей на самую существенную особенность китов. Ибо в этой, на первый взгляд, несущественной детали проявляются почти все те качества, которые обусловливают исключительное положение китообразных среди других обитателей моря. Прежде всего, вертикальные взмахи китового хвоста ближе к движениям быстро бегущей собаки или кошки, чем к движениям рыб и рептилий, извивающихся в горизонтальной плоскости. Ибо китообразные — это теплокровные млекопитающие, дышащие легкими.
Сейчас невозможно сказать, что заставило предков современных китов и дельфинов перебраться с суши на море. Но, как бы там ни было, эти животные настолько хорошо приспособились к водной среде, что по праву могут считаться властелинами океанов. Дыхание легкими и теплая кровь позволяют им развивать большую мощность и быстрее восстанавливать мускульную энергию. По подсчетам биологов, рыбам, хладнокровным обитателям моря, требуется в несколько раз более интенсивный кислородный обмен, чтобы сравниться с китами.
Мощность обязывает… В отличие от рыб, у которых тяга создается извиванием всего тела, хвост кита — его единственный, но очень совершенный движитель. Четыре группы мышц, равных которым не имеет ни одно другое существо на планете, тянутся к лопастям. «Вся безмерная сила кита как бы слилась, сосредоточилась у него в хвосте». Вот почему удаление хвоста у кита или дельфина полностью лишает их способности передвигаться, в то время как скорость рыб с ампутированным хвостовым плавником снижается ненамного.
Гидродинамически хвост китов и дельфинов гораздо совершеннее, чем хвосты рыб. Лопасти имеют большую поверхность, совершают 1—2 колебания в секунду и отбрасывают назад огромные массы воды. Тонкая «ножка» хвоста удобообтекаема и испытывает ничтожное сопротивление при поперечном движении в воде.
Дельфины и киты снабжены не только самыми мощными двигателями, они обладают и отличными гидродинамическими обводами. Форма их тела почти совпадает с эллипсоидом, у которого длина в 4—6 раз больше диаметра. Любопытно, что большее удлинение приводит к увеличению сопротивления трения, а меньшее — к возрастанию сопротивления формы.
До сих пор мы говорили одновременно и о китах и о дельфинах, поскольку между ними, действительно, много общего. Но нельзя забывать и об огромном различии: кит в десять раз крупнее дельфина. А если вспомнить, что большим рыбам легче плыть в воде, чем малым, — принцип, давно известный судостроителям, — то разница в размерах должна привести и к разнице в скоростях. Действительно, из законов механического подобия вытекает, что чем крупнее рыба, тем меньшая мощность на тонну веса нужна ей для достижения данной скорости. Например, чтобы плыть со скоростью 15 километров в час 4-килограммовой морской щуке нужна в пересчете на тонну веса мощность в 26 лошадиных сил. А 2-килограммовой — уже 53 лошадиных силы.
По этой зависимости следовало бы ожидать, что крупные киты окажутся самыми быстроходными морскими животными. Многочисленные косвенные данные подтверждают это предположение. Известен случай, когда загарпуненный голубой кит тащил со скоростью 13 километров в час китобойное судно, машины которого работали полным ходом назад!
Желая проверить эти сведения, английский корабельный инженер Р. Гоун снарядил специальное судно для измерения скорости китов. Его цифры свидетельствуют о том, что по крайней мере в течение 10 минут гигантский голубой кит может мчаться со скоростью 36 километров в час. Но, попытавшись определить мощность, необходимую для такой скорости, Гоун получил неожиданные результаты.
Прямое измерение мощности плывущей рыбы — задача не простая. Поэтому Гоуну пришлось вновь прибегнуть к косвенным оценкам. Общую мощность животного легко вычислить, зная полный вес и мощность одного килограмма мышц. Можно поступить иначе — сделать расчет мощности, измерив скорость и тягу, развиваемые животным. Конечно, мощность, вычисленная по обоим методам, должна быть одной и той же. Однако у Гоуна мощность, вычисленная по второму методу, оказалась равной 520 лошадиным силам, а по первому — 1080!
Аналогичные расчеты для дельфинов дали еще большее расхождение. Так возник «парадокс Грея», упоминаемой в одной из наших прошлых статей.
Автор: Герман Смирнов.