Биогидродинамика плавания и полета (Ентов В.М., 1980 - Биогидродинамика плавания и полета)

МЕХАНИКА НОВОЕ В ЗАРУБЕЖНОЙ НАУКЕ РЕДАКТОРЫ СЕРИИ: А.Ю.ИШПИНСКИЙ, Г. Г. ЧЕРНЫЙ БИОГИДРОДИНАМИНА ПЛАВАНИЯ И ПОЛЕТА Сборник статей Перевод с английского под редакцией 8, М. ЕНТОВА ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1980 УДК 532.5+ 591.773+ 59!Л74 ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА Редакция литературы по математическим наукам ! 703040000 В 20303-046 04!(О!)-80 © «Мир», 1960 БИОГИДРОДИНАз!ИКА ПЛАВАНИЯ И ПОЛЕТА Научный релзкгср П. я. Ксрссюнказ Мл. науч. Релакгср Ю. С. Андреева Художник А. В.

Шклов Художественный редактор В. И. Шазсзазаз Технический релакгар Б. В. Бурнксгрсза Корректор А. Я. Шехтер ИБ № 1959 Сдано з набор 05.07.79. Ползксааз к кечагн 50.01.80. Формат бумаги ООХООЧ ь Бумага тнпсграфскап Лз 1. Гарнитура литературная. Печать змсскзз. Обьеч 5,50 ОУН. Л, Уел. пеЧ. л. 11,00. Уч..взп, л, !О,!З. !1зп № 1,'047б. Твраж 2000 зкз. Зак. 259 Цека ! р. 50 к Издательство «Мкр» 127520, Москва, И.110, ГСП. 1-й Рижский пер.

Ордена Трудовагс Красного Знамени Лезвзгрздскач типография № 2 вмезк Бзгеккз Соколовой зСоюззсз!аграф. прона» прв Гссуаарсгзекаан каннтете СССР по делам издательств. полнграфна з книжкой горгсзлв. 190052, Ленинград, Л-52, Измайлсзскзй проспект, 29 Сборник статей по гидроаэромеханике движения живот. ных в воде и воздухе; охватывает весь диапазон скоростей и размеров животных, начиная от микроорганизмов и кончая крупными морскими животными. Проанализированы различные механизмы достижения высокнх скоростей и маневренности — использонание энергии волн, снижение сопротивления жидкости и оптимальные режимы движения. Среди аз~оров такие известные ученые, как Т.

Ву, Дж. Лайтхнлл, М, Плессет. Сборник будет полезен специалистам в области гидродинамики и биомеханики, студентам соответствуюгцих специальностей, а также всем, кто интересуется механикой природных явлений. Предлагаемый вниманию читателя сборник посвящен гидродипамическому исследованию плавания и полета животных.

Если интерес к указанной области столь же древен, сколь и сама наука, то серьезный и количественный ее анализ стал возможен лишь в самое последнее время благодаря появлению новых средств и методов экспериментального и теоретического исследования. Гидродинамические оценки позволяют проверить обсуждаемые биологами гипотезы относительно многообразных приспособительных механизмов, выработавшихся у животных в процессе эволтоции, дать объяснение наблюдаемым закономерностям. Отчетливо проявляется и обратный процесс — обогащение гидродинамики новыми проблел!ами, идеями и методами, возникающими в ходе биомеханического исследования. Немаловажным является и «бионический» аспект — формирование новых технических идей на основе гидродинамического изучения плавания и полета живых существ.

Широкий размах, который приняли эти исследования за последние два десятилетия, позволяет говорить о возникновении новой ветви механики — биогидродинамики плавания и полета, или, по определению Дж. Лайтхилла, внешней биогидродинамики (в отличие от внутренней биогидродинамики — гидродинамики биологических жидкостей, дыхания и кровообращения).

В настоящее время за рубежом проводятся комплексные ЭКСПСРИА!ЕичгаЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВаНИЯ ГИДРОДИНаМИ- ки плавания и полета живых существ во всем диапазоне размеров, начиная от микроорганизмов и кончая крупными морскими животными — рыбами и китами. С зоологами в этих исследованиях активно сотрудничают специалисты по гидродинамике, в том числе такие известные, как Дж.

Лайтхилл и Т, Ву. Внешней биогидродинамке полностью или частично посвящен ряд монографий, обзорных статей и симпозиумов. Современная литература по биогидродинамике плавания и полета на русском языке весьма небогата. Назовем лишь книги Р. Александера (Биомеханика. — Мл Мир, 1970) и Н. В. (хок!Пайского (Очерк биологической аэро- и гидродинамики. — Мл Наука, 1974), ориентированные главным обра- От редактора перевода От редактора перевода зом на читателей-биологов, и серию сборников «Бионика», вы пускаем ых издательством «Наукова дум на».

Данный сборник составляют переводы избранных статей нз трудов Симпозиумов по плаванию и полету (Калифорнийский технологический институт, 1974 г.) и по масштабным эффектам при движении животных (Кембриджский университет, 19?5 г.). Переводы этих статей призваны отразить гндродинамическую сторону исследований по биогидродинамике. При выборе материала мы вовсе не стремились полностью исчерпать предмет, а пытались отразить реальное разнообразие проблем, методов и подходов, существующих в литературе. Открывает сборник перевод обзорной статьи Дж, Лайтхилла, рассчитанной на широкую аудиторию и посвященной качественному анализу полета птиц, летучих мышей и насекомых с позиций современной аэродинамики. При вполне элементарном и весьма красочном изложении эта статья охватывает как традиционные вопросы (подобие, парение птиц), так и значительно менее изученные стороны механики полета — трепещущий полет, взлет и посадку, управление полетом у птиц и насекомых.

Статья богато иллюстрирована, содержит обширный фактический материал и может служить прекрасным введением в предмет. Здесь уместно упомянуть и две другие работы того же автора — переведенную на русский язык статью «Гндромеханика движения водных животных» (сб. «Механика», 1972, № 1 (131), с. 80 †1) и обзор по гидродинамике движения жгутиковых микроорганизмов (Р!аде(!аг пубгос(упапнсз, 8(АМ-17еч!ечт, 1976, № 2). Работа Т.

Ву посвящена анализу гидродинамического подобия при движении двух групп живых существ, обитающих в водной среде,— жгутиковых и ресничных микроорганизмов и крупных морских животных. Иными словами, речь идет о движении при очень малых или очень больших числах Рейнольдса, Экспериментальный материал по скоростям движения и энергозатратам животных проанализирован здесь с позиций гидродинамической теории. Существенный интерес представляет то обстоятельство, что сопоставление теории и эмпирических законов подобия для скоростей движения рыб при различных уровнях активности позволяет сделать определенные заключения о характере обтекания тела рыбы, совершающей волнообразные движения, В частности, эти данные указывают на существенное затягивание перехода ламинар. ного пограничного слоя на теле рыбы в турбулентный.

В статье Т. Ву и А. Чуонга исследуется возможность перемещения тела в жидкости, совершающей волновое движение, за счет энергии волн, Методами теории колеблющегося крыла отыскивается такая форма управляющих движений (колебаний) профиля в волновом потоке, при которой достигается своеобразный резонанс, и извлекаемой телом энергии достаточно для поддержания его движения без дополнительных источников. Оценки авторов показывают, что подобный механизм может объяснить длительное скольжение над волнами крупных морских птиц, Важно, что количественный гидро- динамический анализ позволяет оценнть потенциальные возможности использования волновой энергии животными. Не исключено, что именно в подобном активном овладении дополнительнымн источниками энергии, а не в особом строении кожи дельфина лежит разрешение знаменитого парадокса Грея — явного несоответствия между наблюдаемой скоростью плавания дельфина и потреблением им кислорода.

В свете интенсивно продолжающегося во всем мире изуче. ния эффекта снижения гндродинамического сопротивления малыми добавками полимеров значительный интерес представляет работа Дж. Хойта. Здесь собраны данные по снижению сопротивления слизью рыб, моллюсков, а также растворами высокомолекулярных веществ, образуемых морскими водорослями и бактериями. Эти данные не дают однозначного ответа на вопрос о том, используют ли в действительности рыбы слизь для уменьшения сопротивления трения.

Однако они ясно указывают на общность явления снижения гидродннамического сопротивления высокомолекулярными веществами самой различной природы — обстоятельство, небезразличное как для понимания эффекта, так и для его применения в технике. В исследовании О. Пиронно и Д, Каца проведен теоретический анализ оптимальных форм движения жгутика— основного движителя микроорганизмов и сперматозоидов высших животных. Авторы используют простейшую модель взаимодействия жгутика с окружающей его жидкостью — так называемую теорию сопротивления, аналог теории тонкого гела для движений с весьма малыми числами Рейнольдса, и находят такую кинематику движения жгутика, которая обеспечивает заданную скорость перемещения микроорганизма при минимальной днссипации энергии. Примечательно, что найденная из такого условия форма движения находится в разумном согласии с экспериментом. Упорядоченное движение микроорганизмов против силы тяжести (геотаксис), равно как и движение их к источнику света (фототаксис), может привести к нарушению гидростатического равновесвя в жидкой среде и появлению конвектнвпых течений.

Теории этого своеобразного явления, полу. От редактора перевода чившего названи з ание биоконвекции, посвящена работа М. Плес- сета и др., закл а и ., заключающая сборник. И в этом случае теоретическое исследование, выполненное классическими методами теории гидродинамической устойчивости, дает результаты, согласующиеся с экспериментом, Можно надеяться, что сборник будет полезен специалистам по механике и бионике, инженерам, студентам и аспирантам соответствующих специальностей, а также широкому кругу читателей, интересующихся биологическими проблемами.

В. М. Ентов АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛЕТА ЖИВОТНЫХ' ) Дж. Дайтхилл ЧАСТЬ 1. ВВЕДЕНИЕ К ОБЗОРУ Охват материала В лекции илн курсе лекций по летательным аппаратам равное или примерно равное внимание было бы уделено аэродинамике, конструкции аппарата и двигателям. В то же время в лекциях по аэродинамике летательных аппаратов основное внимание было бы уделено аэродинамическим вопросам лишь с упоминанием основных элементарных сведений о том, какие ограничения возникают в связи с конструкцией аппарата н возможностями двигателей.

Так и в этой лекции, посвященной аэродинамическим аспектам полета животных, основное внимание будет сконцентрировано на аэродинамических силах и обусловленных ими динамических взаимодействиях между движениями животного относительно воздуха и соответствующими движениями воздуха. В лекции лишь кратко упоминаются принципиальные ограничения, налагаемые прочностью и жесткостью скелета животного и иными «конструктивными соображениями», а также «двигательные» возможности мышечного аппарата и метаболизма животного. Равным образом в ней дается лишь весьма сжатое описание (см.

раздел «Эволюция») фундаментальных с биологической точки зрения вопросов о том, как под влиянием создаваемых внешней средой новых требований н возможностей выработались системы полета животных. В таком распределении материала лекция близко следует предшествующим гидродинамическим обзорам автора по движению водных животных [22 — 241. Очевидно, имеются черты сходства.