Examples of liquids superfluidity in nature (EN) / Примеры сверхтекучести жидкости в природе (RU)
В. К. Верхоломов
Аннотация
Выводы работы [7] о большой силе хвоста дельфина не выдерживают критики с позиции энергетической эффективности его движения. Показано, что быстроходность и экономичность движения дельфинов можно объяснить возникновением сверхтекучести обтекающего потока воды.
// Science and World. 2020. № 11, p. 8 – 10
Введение
До настоящего времени под сверхтекучестью понималась способность вещества в особом состоянии (состояние квантовой жидкости), возникающем при температурах, близких к абсолютному нулю, протекать через узкие щели и капилляры без трения [4]. Как известно, это явление впервые было открыто в 1938 г. П. Л. Капицей и Дж. Алленом. Поскольку обладающий сверхтекучестью гелий II (He II) появляется при температурах ниже λ-точки (Т = 2,172 ºK), принято считать, что явление сверхтекучести возникает только вблизи абсолютного нуля температуры [4]. При температурах T>2,172 ºK гелий существует только в виде нормальной однородной жидкости гелия I (He I), которая обладает обычными свойствами, присущими жидкостям, в том числе вязкостью. Течение He I в каналах сопровождается возникновением пограничного слоя и сил трения на стенках, а, следовательно, потерями кинетической энергии его струи. Но при температурах ниже λ-точки (Т = 2,172 ºK) гелий I переходит в гелий II (He II), обладающий сверхтекучестью.
Поскольку сверхтекучесть имеет не только научное, но и большое практическое значение, в работе [1] был проведен углубленный анализ результатов экспериментов П. Л. Капицы по сверхтекучести гелия II [4].
В результате впервые в российской и мировой науке был открыт новый вид сверхтекучести – пограничной сверхтекучести на межфазной границе гелий I (нормальная жидкость) / гелий II (квантовая жидкость).
В следующей работе [2] были сформулированы основные условия для получения сверхтекучести обычных жидкостей. Чтобы получить сверхтекучесть обычной жидкости (например, воды) на границе с твердой или жидкой поверхностью (покрытием) необходимо и достаточно выполнить следующие условия:
- Поверхность должна быть высокогидрофобной, водоотталкивающей. Краевой угол смачивания поверхности должен быть больше граничного значения θr, при котором наступает эффект скольжения жидкости θ ≥ θr.
- Поверхность должна быть гладкой.
Целью настоящей работы был поиск примеров проявлений сверхтекучести жидкости в окружающей природе.
Как уже указывалось, проявление сверхтекучести жидкостей должно вызывать феноменальные результаты. В настоящее время такие феноменальные результаты по быстроходности ярко проявляются у морских китообразных животных – дельфинов.
1. Основные характеристики движения дельфинов
В имеющихся работах [3, 5, 6 и др.] содержатся сведения, согласно которым максимальная скорость движения дельфинов составляет около 36 км/ч (10 м/с). При этом, указывается, что дельфины и другие китообразные (например, касатки) очень кратковременно способны развивать и более высокую скорость до 50-55 км/ч. Все исследователи отмечают, что дельфины плывут на больших скоростях, почти не нарушая спокойного состояния воды, т. е. выполняется ламинарность обтекающего потока. Так по данным наблюдений английского биолога Г. А. Стефена [6], ночью в условиях биолюминесценции (свечения) моря за стремительно плывущим дельфином оставались лишь два огненных шнура (от плавников). Для сопоставления, за плывущим тюленем оставалось широкое полыхающее поле. Аналогичную картину также наблюдали В. Эванс и Л. Мак-Кинли [6]. Отсюда следует очень важный вывод о том, что дельфин плывет, почти не нарушая спокойного состояния воды. Многие исследователи предпринимали попытки выяснить причину быстроходности дельфинов.
Так, в 1936 г. Д. Грэй попытался выяснить причину необычной скорости плавания дельфинов. Он провел эксперименты, в процессе которых буксировал в бассейне жесткую модель дельфина, измеряя ее сопротивление в воде. В результате он пришел к поразительному выводу: для получения такой высокой скорости необходима сила, в 7 раз превышающая имеющуюся мускульную силу у дельфина. Это явление – двигаться быстрее своих возможностей – получило название: «парадокс Грэя». Мы не будем останавливаться на имеющихся гипотезах, пытающихся объяснить «парадокс Грэя», они подробно изложены в работе [6]. Проверки этих гипотез не дали положительного результата. Однако несколько лет назад появилось сообщение о разгадке «парадокса Грэя».
2. Попытка разгадки «парадокса Грэя»
Более подробно остановимся на следующей попытке разгадки «парадокса Грэя» в работе [7], выводы которой, в настоящее время, считаются общепризнанными. Т. Вэй с сотрудниками в результате специальных экспериментов с дельфинами афалина пришел к выводу, что разгадка указанного парадокса кроется в силе хвоста (хвостового стебля) дельфина. В результате вычислений, на основе полученных экспериментальных данных в специальном бассейне, было определено, что эта сила оказалась в 10 раз больше, чем предполагал Грэй [7]. При этом максимальная движущая сила хвоста афалины составила 1800 Н. Поскольку этот вывод имеет принципиальное значение, попытаемся провести анализ полученных в [7] результатов с точки зрения энергетической эффективности движения дельфина. При оценке энергетической эффективности движения афалины в воде, на основании имеющихся в литературе сведений, примем следующие исходные данные:
- Максимальная движущая сила хвоста Fmax = 1800 H;
- Максимальная скорость движения Vmax = 36 км/ч;
- Крейсерская скорость движения Vк = 25 км/ч;
- Дневная масса съедаемой рыбы Мдн = 20 кг (по литературным данным 15-20 кг);
- Средняя калорийность рыбной массы Q = 1200 ккал/кг.
Поскольку в литературе по дельфинам отсутствуют точные данные по расходу энергии, поступающей с пищей, примем в первом приближении, что он такой же, как у человека. У обычного человека типичный расход поступающей с пищей энергии является следующим:
- 60-70 % расходуемой энергии составляет базовый обмен веществ, т. е. поддержание жизнедеятельности внутренних органов (включая расход энергии на поддержание постоянной температуры организма);
- 10 % энергии переводится в запас;
- 20-30 % энергии расходуется на физическую, двигательную активность.
Примем, что для дельфинов на двигательную активность расходуется 30 % от суточной энергии, поступающей с пищей.
Если принять, как это следует из рис. 4 [7], что движущая сила хвоста пропорциональна скорости движения, то сила хвоста на крейсерской скорости будет F = (1800/36) 25 = 1250H. Крейсерская скорость за 1с Vк = 25000/3600 = 7 м/с. Мощность хвоста на крейсерском режиме плавания N = F · Vк = 8750 Дж/с = 8,75 кДж/с. Эта величина удовлетворительно согласуется с рис. 6 из работы [7], на котором приведены данные по зависимости мощности хвоста китообразных от скорости плавания. Результаты расчетов затрат энергии дельфина при разном времени плавания на крейсерской скорости (τ = 1, 2, 3, 4 ч) сведены в таблицу. Оценка потребной рыбной массы (Мпотр), расходуемой на движение дельфина, проведена по следующей формуле:
Мпотр = (N·τ) /(0,3·Q),
где коэффициент 0,3 учитывает затраты на движение от калорийности рыбной массы. В таблице также приведены значения относительной потребной массы рыбы Мотн = Мпотр/Мдн и длины пути за время движения.
Таблица
Затраты энергии и потребная масса рыбы
| № п/п | Время движения τ, час (сек.) | 1 (3,6·103) | 2 (7,2·103) | 3 (10,8·103) | 4 (14,4·103) |
| 1 | Мощность хвоста N, кДж/с | 8,75 | 8,75 | 8,75 | 8,75 |
| 2 | Затраты энергии N· τ, кДж | 31,5·103 | 63·103 | 94,5·103 | 126·103 |
| 3 | Затраты энергии в ккал | 7,5·103 | 15·103 | 22,5·103 | 30,1·103 |
| 4 | Потребная масса рыбы Мпотр, кг | 20,8 | 41,7 | 62,5 | 83,5 |
| 5 | Относительная масса рыбы Мотн | 1 | 2,1 | 3,1 | 4,1 |
| 6 | Длина пути, км | 25 | 50 | 75 | 100 |
Как следует из таблицы, дневного запаса рыбы дельфину хватает только на путь длиной примерно в 25 км, что явно недостаточно.
В работе [6] приведены случаи, когда дельфины, без каких-то видимых усилий, в течение многих часов сопровождали быстроходные суда. На сайте общества по охране дельфинов [8] приведены данные о том, что в дикой природе дельфины могут преодолевать за день расстояние до 80 миль (148 км) со скоростью почти 20 миль в час (37 км/ч). В работе [5] также есть сведения о том, что в поисках пищи или воды нужной температуры дельфины могут плыть со скоростью 20 узлов и за несколько дней покрывают расстояние в несколько тысяч морских миль. Таким образом, действительное расстояние примерно в 6 раз превышает расчетное значение, соответствующее выводам работы [7]. Судя по всему, дельфины обходятся значительно меньшими значениями силы хвоста при высокой скорости движения, что позволяет им получать высокую энергетическую эффективность, высокую экономичность плавания. Следует также отметить, что в той же работе [7] приведены непомерно большие, по нашему мнению, коэффициенты сопротивления трения китообразных (включая дельфинов) на рис. 5. Они превышали даже соответствующие значения коэффициента сопротивления для пластины с турбулентным потоком. Это полностью противоречит наблюдениям о ламинарности потока воды, обтекающего тело дельфина на высоких скоростях плавания [6]. Похоже, что разгадка «парадокса Грэя» кроется в другом.
Разгадка «парадокса Грэя»
Многими исследователями высказывалось мнение, что быстроходность дельфинов зависит не только от формы тела, но и свойств их кожи: гладкой, упругой, несмачиваемой. Изучение структуры кожи дельфина показало также, что кожа состоит из двух основных слоев: эластичного наружного эпидермиса и лежащего под ним упругого внутреннего слоя дермы с высокими сосочками и жировым отложением. Обнаружено также, что во время движения в воде с кожи дельфина непрерывно отшелушивается тонкий наружный слой. Особого внимания заслуживает сообщение о том, что у трупов китов, лежащих на воздухе, верхний слой эпидермиса затвердевает и легко отделяется наподобие целлофановой пленки [6].
Поэтому к объяснению «парадокса Грэя» можно подойти с позиции пограничной сверхтекучести. И для этого имеются следующие предпосылки: 1) Кожа дельфина гладкая и несмачиваемая. 2) С кожи дельфина при движении в воде непрерывно сходит тонкий наружный слой. 3) Слой дермы пронизан многочисленными высокими сосочками, выходящими в эпидермис.
Можно представить следующую картину. При быстром движении дельфина из дермы с жировым отложением по сосочкам поступает вязкий «жироподобный» гель, который в виде тонкого слоя течет по поверхности кожи и непрерывно смывается обтекающим потоком воды. Краевой угол смачивания геля θ ≥ θr. Поверхность гель/вода получается гладкой. Таким образом, с полным основанием можно сказать, что выполняются основные условия для неполной пограничной сверхтекучести, и плавание дельфина на больших скоростях происходит с минимальными гидравлическими потерями на трение (видимо, основные потери происходят от работы плавников).
Другие примеры сверхтекучести
Другим примером пограничной сверхтекучести служат рыбы. Общеизвестным фактом является то, что с только что пойманной и вынутой из воды рыбы мгновенно стекает вся вода. При этом поверхность живой рыбы покрыта тонким слоем прозрачной слизи, обладающей, среди прочих свойств, также водоотталкивающими свойствами. Слизь непрерывно выделяется особыми клетками эпидермиса, ее количество зависит от вида рыбы. Слизь выполняет ту же роль, что и гель у дельфина, т. е. создает условия для проявления пограничной сверхтекучести и позволяет рыбе развивать высокие скорости движения в воде. Так, например, известно, что в погоне за добычей щука кратковременно может развить скорость до 80 км/ч.
Выводы
- Установлено, что выводы работы [7] о большой силе хвоста дельфина афалины не выдерживают критики с позиции энергетических затрат на его движение.
- Показано, что быстроходность и экономичность движения дельфинов можно объяснить возникновением сверхтекучести обтекающего потока воды.
Литература
- Верхоломов, В. К. Еще раз о сверхтекучести гелия / В. К. Верхоломов // Science and world. – 2020. – № 9 – Т. 1. – С. 8-11.
- Верхоломов, В. К. Основные условия для получения сверхтекучести обычных жидкостей при нормальных атмосферных условиях / В. К. Верхоломов // Science and world. – 2020. – № 10. – С. 22-24 .
- Вуд, Ф. Г. Морские млекопитающие и человек / Ф. Г. Вуд. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 251 с.
- Капица, П. Л. Эксперимент, теория, практика / П.Л. Капица. – М.: Наука, 1974. – 285 с.
- Лилли, Д. Человек и дельфин / Д. Лилли. – 1961.
- Томилин, А. Г. В мире китов и дельфинов / А. Г. Томилин. – М.: Знание, 1980. – 224 с.
- Fish F. E. Measurement of hydrodynamic forse generation by swimming dolphins using bubble DPIV / F. E. Fish, P. Legas, T. M. Williams, T. Wei // J. of Experimental Biology. – 2014. – Pp. 252–260.
- https://www.humanesociety.org/animals/dolphins
- Жалоба
- 899
- syshatunov от