Кальмары представляют интерес для исследователей как отличные пловцы, изучение которых может оказаться полезным для решения ряда технических проблем, связанных с конструированием подводных аппаратов и сооружений.
Среди водных животных кальмары входят в число лучших пловцов наряду с дельфинами и такими быстроплавающими рыбами, как меч-рыбы, парусники, тунцы. Хотя непосредственных измерений скорости их плавания не производилось, многочисленные наблюдатели утверждают, что кальмары легко могут плавать со скоростями 40—55 и даже 70 км/ч.
Интерес к подводным обитателям, в том числе и кальмарам, заметно возрос в последние годы. Конструкторы-кораблестроители подошли к своеобразному потолку скорости, выше которого можно подняться, лишь используя принципиально новые методы и способы проектирования. И эти новые методы могли подсказать техникам только обитатели голубого континента, в число которых входят и кальмары — живые ракеты.
Так возникло новое научное направление — биогидродинамика, основную задачу которой можно сформулировать как изучение особенностей и закономерностей движения в воде живых объектов с последующим использованием обнаруженных закономерностей в практике судостроения.
Кораблестроители считают, что дальнейшее увеличение скорости судов возможно лишь одним из двух путей — либо поднятием судов над водой путем постановки их на подводные крылья или воздушные подушки, либо опусканием под воду, превращением их в чисто подводные суда. Проектируя судно в расчете на движение лишь в одной среде — водной, можно придать ему формы, наивыгоднейшие для этой среды и тем самым значительно уменьшить одну из трех составляющих сопротивления — сопротивление формы. Другая составляющая, имеющая место при движении судна по поверхности воды — волновое сопротивление, — при опускании судна под воду практически исключается. В результате этого для достижения той же скорости подводному судну потребуется двигатель значительно меньшей мощности, чем надводному. Кроме того, если суда на подводных крыльях не могут быть очень крупными, то подводные суда можно строить почти любого водоизмещения. Штормы им, естественно, не угрожают.
Таким образом, речь идет о создании «истинно» подводных кораблей, целиком рассчитанных на движение под водой. Под воду стараются опустить не только грузовые суда — танкеры, рудовозы и т. д., но даже пассажирские лайнеры, не говоря уже о многочисленных видах исследовательских, спасательных и туристских судов.
Для плавания под водой нужен двигатель, который мог бы работать без доступа атмосферного воздуха, — подводный двигатель. До последнего времени морская вода почти не использовалась в морских подводных двигателях, главным образом из-за содержания в ней солей. Однако работы последних лет в области гидрореагирующих и гидрореактивных двигателей свидетельствуют о том, что дело идет к разработке по аналогии с истинно подводными судами и истинно подводных двигателей.
Поэтому не удивительно, что чисто научный биологический интерес к кальмарам перерос в интерес технический, или бионический. Кальмарами «увлекаются» биофизики и инженеры, конструкторы и гидродинамики.
Характеристику плавания кальмаров, по-видимому, наиболее логично начать с описания их движителя (двигателя). Основной тип двигателя у кальмаров — гидрореактивный. Сила тяги такого двигателя создается за счет реакции выбрасываемой из сопла струн жидкости. В качестве «рабочего тела», или «горючего», в гидрореактивных двигателях используется вода.
В строении гидрореактивного аппарата кальмаров совмещены одновременно и двигатель, и движитель. Однако истинным двигателем, преобразующим химическую энергию в механическую, в энергию движения, является мышечная ткань, а в качестве преобразователя этой энергии непосредственно в работу выступает целый комплекс органов, так что более правильно в применении к организмам говорить не о двигателе, а о движителе.
В состав мантийно-вороночного движителя кальмаров входят мантия с ее полостью, воронка и система замыкательных хрящей.
Выражаясь техническим языком, мантийная полость — это своеобразный аналог камеры сгорания реактивных двигателей. «Камера сгорания» у кальмаров достигает значительных размеров, что, безусловно, связано с их способностью к быстрому плаванию, поскольку масса воды, используемая для создания пропульсивной силы, определяется в первую очередь размером мантийной полости.
Объем мантийной полости у кальмаров достигает половины объема животного, другими словами, при заполнении водой мантийной полости объем кальмара возрастает в 1,5 раза. Резким сокращением кольцевых мышц мантийной стенки кальмар сжимает воду внутри мантийной полости, и она с силой устремляется наружу через отверстие воронки.
Скорость плавания зависит не только от степени развития движителя, его способности развивать достаточно большую силу тяги. Не менее важное значение имеет сама форма тела, определяющая условия обтекания. Если в воздушной среде иногда пренебрегают силами сопротивления воздуха, то в воде это исключается: плотность воды в 800 раз с лишним превышает плотность воздуха. Недаром все хорошие пловцы, будь то беспозвоночные, рыбы пли китообразные имеют вполне определенную форму — сильно вытянутое сигаро- или торпедообразное гладкое тело.
Особенности строения тела водных животных невозможно правильно понять без знания основ гидродинамической теории сопротивления. Таким образом, прежде чем говорить о форме тела кальмаров, необходимо остановиться на основных положениях теории сопротивления жидкости.
Возникновение сопротивления обязано существованию внутренней вязкости жидкости, с увеличением последней сопротивление возрастает. Сопротивление жидкости движущемуся в ней телу складывается из двух основных частей: 1) сопротивления, обусловленного разностью давлений на переднем и заднем концах тела, которое называется лобовым сопротивлением, или сопротивлением формы; 2) сопротивления, обусловленного шероховатостью поверхности тела, — так называемого сопротивления трения.
Величина лобового сопротивления определяется главным образом процессами, происходящими позади движущегося тела, вследствие чего форма задней (кормовой) части оказывает очень большое влияние на величину сопротивления.
При обтекании любого тела частицы жидкости, находящиеся вблизи поверхности, увлекаются телом, и вокруг него образуется движущийся слой определенной толщины. Этот слой называется пограничным.
При малых скоростях пограничный слой движется вместе с телом, но с увеличением скорости движения он начинает отставать, что весьма нежелательно. Оторвавшийся от тела пограничный слой быстро превращается в вихрь, который нарастает стремительно, как снежная лавина, вовлекая все новые и новые частицы окружающей жидкости. Образование и нарастание вихря сопровождается расходом энергии, а следовательно, и увеличением сопротивления. Энергия движения тратится уже не на прирост скорости, а на преодоление растущего сопротивления.
Отрыв пограничного слоя зависит от целого ряда причин, и в частности от формы тела, места положения его наибольшей толщины. Экспериментально установлено, что оптимальное обтекание имеет место в том случае, когда наибольшая толщина тела находится посередине между передним и задним концами.
Сопротивление трения в первую очередь определяется структурной гладкостью поверхности. Для снижения сопротивления трения необходимо увеличение гладкости.
И действительно, кожа кальмаров очень гладкая. Только при большом увеличении можно разглядеть ее шероховатость. Однако у аэродинамиков существуют свои критерии гладкости. Гладкой в аэродинамике называется такая поверхность, элементы шероховатости которой не выходят за пределы слоя, все частицы в котором движутся упорядоченно, единым потоком. Этот слой очень тонок и носит название ламинарного (от латинского lamina — пластина). Рассмотреть его нельзя, но можно рассчитать. Применяя методику расчета толщины ламинарного подслоя для кальмаров, мы нашли, что кожа их с полным правом может называться идеально гладкой.
Тело кальмаров сильно вытянуто в длину, его толщина в среднем 6—8 раз укладывается в длине от концов рук до хвоста. Все быстроплавающие нектонные кальмары имеют веретеновидную или сигаровидную форму тела с наибольшей толщиной в середине тела.
Но форма тела у кальмаров в процессе движения все время меняется, а вместе с тем перемещается и местоположение его наибольшей толщины. Набирая воду в мантийную полость, кальмар раздувается. В этот момент место наибольшей толщины мантии приближается к хвосту и отстоит от него не далее чем на 35—40% длины тела. Выбрасывая воду из мантийной полости, кальмар становится более прогонистым, а место наибольшей толщины его мантии отодвигается к голове и отстоит от хвоста на 50—55% длины тела. Оценивая с позиций гидродинамики условия обтекания кальмара при плавании реактивным способом, можно априори заявить, что они не постоянны, в момент заполнения водой мантийной полости кальмар раздувается, и общее сопротивление должно возрастать, а в момент выбрасывания воды снижаться.
«Рабочим телом» кальмару служит окружающая вода, омывающая тело со всех сторон. Чтобы включить движитель, кальмару нужно лишь открыть мантийную щель, которая соединяет его мантийную полость с наружной средой. При движении кальмара хвостом вперед вода как бы скатывается с мантии в виде кольца и входит в июль. Мантийная щель кальмаров расположена между мантией и головой и имеет кольцевидную форму. А случайность ли, что внутрь мантии попадает вода, которая обтекает тело кальмара, или же в этом заключен некий неизвестный пока нам смысл?
Многочисленные причины, в числе которых можно назвать и нестационарность условий движения, т. е. замедление и ускорение потока, должны создавать предпосылки для отрыва пограничного слоя. У кальмара такой отрыв особенно вероятен и момент расширения мантии, сопровождающегося перемещением к хвосту (к переднему концу тела, поскольку кальмар плывет хвостом вперед), — местоположения наибольшей толщины тела. По мере удаления от переднего конца тела толщина пограничного слоя все нарастает и он вот-вот должен оторваться, но этого, по-видимому, у кальмара и не происходит. В момент, когда пограничный слой должен оторваться, открывается кольцевая мантийная щель, и вода пограничного слоя врывается в мантийную полость. Такой метод борьбы с отрывом пограничного слоя прост и эффективен.
В технике подобное явление носит название отсос пограничного слоя и применяется в авиастроении.
В крыльях самолетов высверливают специальные отверстия, через которые в полете воздух из пограничного слоя отсасывается внутрь крыла. Так достигается снижение сопротивления.
В подводном судостроении отсасывание пограничного слоя пока не применяется. Производя периодически отсос пограничного слоя, кальмары стремятся свести до минимума нестационарность обтекания, обусловливаемую самим принципом работы их гидрореактивного движителя пульсирующего типа.
Кальмары представляют интерес для конструкторов подводных судов и в другом отношении. Подводное судно должно иметь нейтральную плавучесть — будучи неподвижным, оно не должно ни тонуть, ни всплывать к поверхности. Активные нектонные кальмары не имеют нейтральной плавучести, они немного тяжелее воды. Расположение воронки ниже горизонтали центра тяжести обеспечивает при быстром движении кальмара создание подъемной силы, позволяющей кальмару поддерживать равновесие в воде. При медленном движении и неподвижном парении созданию подъемной силы способствуют колебательные движения плавников, изгибание кверху переднего конца тела и морфологические особенности кальмаров.
Нектонный кальмар с неработающими плавниками не может держаться на определенной глубине, он тонет.
Но среди головоногих есть виды, полностью решившие проблему поддержания гидростатического равновесия в покое. Одни из них — наутилусы (Nautilus), каракатицы (Sepia) и спирулы (Spirula) — имеют прочную известковую раковину, стенки которой противостоят давлению воды. Раковина разделена на камеры, которые заполнены газом и жидкостью. Соотношение объемов жидкости и газа и определяет удельный вес моллюска. Если животному необходимо слегка всплыть, некоторое количество газов секретируется из крови в камеры, и моллюск получает положительную плавучесть. При необходимости погрузиться часть газов растворяется в крови, количество жидкости в камерах возрастает, моллюск становится немного тяжелее воды. Обычно же плавучесть моллюска нулевая. Принцип тот же, что и у подводной лодки. Этот механизм действует на глубинах до нескольких сот метров, на больших глубинах раковина раздавливается давлением воды.
Некоторые кальмары (Cranchiidae) имеют обширную замкнутую вторичную полость тела, заполненную жидкостью с высокой концентрацией хлористого аммония, для которого стенка полости тела непроницаема. Изотоничный морской воде раствор хлористого аммония лете воды, так что полость тела кранхиид представляет собой поплавок, уравновешивающий вес мягких частей тела. Это —принцип батискафа Пикара, в котором роль легкой жидкости, заполняющей поплавок, играет бензин. Этот механизм может работать на любых глубинах. У Bathyteuthis поплавком служит скопление легкого жира в задней части тела.
Наконец, батипелагические формы кальмаров (Octopodoteuthidae, Chiroteuthidae, Chaunoteuthis и др.) имеют студневидное, почти безмускульное тело, ткани которого так сильно насыщены водой, что удельный вес кальмара практически равен удельному весу воды. По такому принципу устроены медузы, гребневики и многие другие пелагические организмы.
Способность поддерживать нейтральную плавучесть кальмары-батискафы и кальмары-медузы приобрели ценой утраты способности к быстрому активному плаванию. Они малоподвижны и тихоходны. Но при их планктонном образе жизни большая подвижность им и не нужна. Зато механизм поддержания нейтральной плавучести позволил им завоевать глубины океана.
Источник: Г.В. Зуев, К.Н. Несис. Кальмары (биология и промысел). Изд-во «Пищевая промышленность». Москва. 1971