Движение рыб

Для уменьшения гидродинамического сопротивления рыбы применяют две тактические уловки. Во-первых, они сохраняют ламинарность обтекающего потока по всей длине тела от головы до хвостового плавника. Достигается это сглаживанием неровностей тела. Все плавники, за исключением хвостового, прижимаются к телу, а у тунцов даже убираются в специальные желоба и впадины тела.

Многие рыбы при движении с большими скоростями переходят на так называемое пассивное дыхание. При этом вода как бы самотеком проходит через ротовую полость и жабры. На выходе из жаберного аппарата вода не создает турбулентных завихрений как у малоподвижных видов при активном прокачивании воды через жабры, а ламинируется.

Снижение сопротивления достигается и за счет снижения трения тела о водную массу. Этому способствуют эластические свойства кожи, чешуя и кожная слизь. Слизь выступает главным фактором ламинирования обтекающего тело водяного потока у таких рыб, как угри и сомы. Эти рыбы не отличаются высокой скоростью плавания, но способны на короткие броски с высокой стартовой скоростью, что требует ламинирования потока.

Следует признать, что способность рыб к снижению гидродинамического сопротивления до сих пор остается во многом загадочным явлением природы. Физические методы измерения сопротивления тел живых и мертвых рыб показали, что у живых рыб гидродинамическое сопротивление значительно ниже. Для поддержания скорости движения 4 L/C живая рыба затрачивает энергии в 2 раза меньше ожидаемой расчетной величины. Предполагают, что решающая роль в преодолении гидродинамического сопротивления принадлежит особым свойствам живого тела - мышечным сокращениям и взаимодействиям кожных покровов с водяными потоками.

Кроме того, живые рыбы умело используют энергию вихревых потоков воды, возникающих при каждом резком изгибе тела. В интересных опытах М. V. Rosen рыб помещали в сосуд, заполненный водой и слоями молока. Оказалось, что при каждом движении тела или хвоста рыбы в области жабр возникают местные водовороты. Рыба движется вдоль дорожки ("дорожка Кармана"), состоящей из водяных завихрений. Тело рыбы получает дополнительную энергию ускорения при контакте с каждым завихрением, так как завихрение слегка подталкивает тело рыбы по оси движения. Это явление описано не только у рыб, но и у всех подвижных водных животных от насекомых до дельфинов. Особенно эффективно используются водяные вихри животными при движении в плотной стае.

Исследования показали некорректность сопоставления движения рыбы и неживых физических тел в воде. В физиологии известен так называемый "парадокс Грея". Еще в 30-е годы американский исследователь Дж. Грей при сопоставлении расчетных энергетических затрат, необходимых для движения в воде дельфина, с реальными затратами энергии животного обнаружил парадоксальное явление. Для движения со скоростью 40 км/ч дельфину длиной 180 см необходимо развить мощность не менее 2,5л. с. Реально дельфин не способен развить мощность даже в 0,5 л. с.

Подобный парадокс обнаружен и у рыб. Например, лососи не обладают необходимыми энергетическими и мощностными ресурсами для нерестовых миграций. В действительности лосось при миграциях затрачивает энергии в несколько раз меньше по сравнению с идеальной физической (неживой) моделью.

Коэффициент полезного действия энергетических затрат, расходуемых на двигательные усилия у рыб, в разных экспериментах оценивается 60-90%. Максимальный КПД зарегистрирован при скоростях движения от 1 до 8 L/C. Удельная мощность, развивается при этом рыбой, составляет около 8 Вт/(кг o с). Интересно, что при быстром плавании или резком броске обмен энергии возрастает в 2-7 раз по сравнению со стандартным обменом на фоне большой кислородной задолженности.