Способность мертвой форели в некоторых случаях плыть против течения реки, за открытие которого в сентябре присуждена Шнобелевская премия по физике, связана с интереснейшими явлениями в области аэро- и гидродинамики и может иметь самые неожиданные применения в технике
<strong>Способность мертвой форели в некоторых случаях плыть против течения реки, за открытие которого в сентябре присуждена Шнобелевская премия по физике, связана с интереснейшими явлениями в области аэро- и гидродинамики и может иметь самые неожиданные применения в технике. RTVI разбирался в природе открытия, которое, по словам профессора МГУ Василия Веденеева имеет фундаментальное значение.</strong>
13 сентября в Гарвардском университете были <a href="https://rtvi.com/news/golubi-navodchiki-raket-i-stimulirovanie-nadoev-ispugannymi-koshkami-za-chto-dali-shnobelya/">присуждены</a> ежегодные Шнобелевские премии в различных областях наук за работы, одни названия которых действительно заставляли улыбаться. Премия по физике досталась Джеймсу Ляо, профессору биологии из Университета Флориды, «за демонстрацию и объяснение плавательных способностей мертвой форели».
Две работы, отмеченные премией, были выполнены еще в 2004 году. Ученые давно заметили, что большинство рыб, двигаясь в вихревом потоке воды, совершают колебания тела, отличные от тех, что требуются им для передвижения в безвихревой среде.
Одним из наиболее известных типов вихревых движений в жидкости или газе является так называемая вихревая дорожка, или дорожка Кармана. В начале XX века американский физик венгерского происхождения Теодор фон Карман, в честь которого названа линия Кармана, условная граница между земной атмосферой и космическим пространством, изучал цепочки вихрей, которые формируются, когда несжимаемая жидкость обтекает цилиндрическую ось, перпендикулярную потоку. Пытаясь понять, почему опоры мостов при сильном ветре неожиданно начинают вибрировать, Карман обнаружил, что обтекая цилиндрическое препятствие, потоки воздуха разделяются на цепочки отдельных вихрей, вращающихся в противоположные стороны. А при определенной скорости ветра срывающиеся поочередно с разных сторон препятствия вихри заставляют его резонировать — в таких случаях стальные канаты могут начать гудеть, а башни и трубы — раскачиваться.
<iframe title="YouTube video player" src="https://www.youtube.com/embed/IDeGDFZSYo8?si=v8i76cGRrFAJbkKT" width="100%" height="450" frameborder="0" allowfullscreen="allowfullscreen"></iframe> <h2>Коварная дорожка</h2> С развитием техники ученые и инженеры стали все чаще сталкиваться с проблемами, которые создаются вихрями, описанными Карманом. Так, с ростом скоростей в авиации стали наблюдаться ранее неизвестные явления, которые иногда приводили к катастрофам. Выжившие летчики сообщали о появлении перед разрушением самолетов интенсивных вибраций нарастающей амплитуды — это грозное явление назвали флаттером. Срывной флаттер возникает при плохом обтекании крыла потоком воздуха, возникающем при обледенении. В этом случае за крылом формируется периодическая система вихрей — та самая дорожка Кармана. При совпадении частоты образования вихрей с собственной частотой колебания крыла возникают незатухающие колебания, для предотвращения которых используют антиобледенительные системы.
Возникновение вихревой дорожки Кармана приводит к разрушительным последствиям не только в авиации. Считается, что это явление стало причиной разрушения моста через пролив Такома в США в ноябре 1940 года, когда при ветре 18,8 м/с пролет моста внезапно стал совершать крутильные колебания, и через полчаса разрушился.
1 ноября 1965 года в Британии внезапно <a href="https://www.theguardian.com/news/2017/oct/31/weatherwatch-vortex-streets-that-can-flatten-power-stations">разрушились</a> сразу три из восьми градирен недавно построенной теплоэлектростанции Феррибридж. Градирни, каждая высотой более ста метров, были выстроены по 4 в два ряда близко друг к другу. Сначала при скорости ветра 130 км/ч разрушилась одна стоящая во втором ряду по направлению ветра градирня, в течение часа еще две. Последовавшее расследование, выводы которого слушались в Палате Лордов, показало, что прочность конструкции башен была рассчитана исходя из их одиночной установки. В тот день башни второго ряда попали во вторичные вихри дорожки Кармана, образовавшиеся от передних градирен, что усилило изначальную скорость ветра, и их стены толщиной 13 сантиметров не выдержали нагрузки.
Наблюдая за движением рыб, движущихся против течения внутри дорожки Кармана позади цилиндрических препятствий, ученые под руководством Джеймса Ляо заметили, что их тело изгибается особенным образом, совершает «кармановское движение». Сначала пяти живым рыбам под анестезией вживили электроды и заставили плыть в вихревой дорожке позади цилиндра диаметром 5 сантиметров и в ламинарном потоке воды. Анализ показал, что при ламинарном потоке и в дорожке Кармана рыбы совершают совершенно разные движения, задействуя разные группы мышц.
При этом, лавируя в дорожке Кармана, рыбы тратят на движение гораздо меньше сил, чем в ламинарном потоке, поскольку используют энергию соседних вихрей, вращающихся в разные стороны. «Применение записи активности мышц и техники визуализации течения дает ясно увидеть, что форель замирает позади цилиндра , используя энергию вихрей, а не просто прячется в слабом течении», — говорится в работе. <h2>Мертвые рыбы в искусственной реке</h2> Кроме того, ученые провели наблюдения за движениями мертвой рыбы, привязанной к цилиндру внутри дорожки Кармана. «Когда мертвая форель была привязана нерастяжимой нитью в области, где предпочитали находиться живые рыбы, их движения большей частью напоминали кармановское движение живых рыб», — говорится в исследовании.
Во втором исследовании ученые более детально описали движения мертвой форели в дорожках Кармана — в экспериментальной установке в Гарвардском университете. Экспериментаторы вспомнили об историях, в которых китобои рассказывали, что якобы мертвые киты могут в течение долгого времени следовать за китобойным судном. В экспериментах было показано, что рыба, еще не достигшего трупного окоченения, продолжает совершать кармановское движение и даже продвигаться вверх по течению без участия веревки. «Мы продемонстрировали, что мертвая рыба может сначала синхронизироваться с вихревым следом, а затем продвигаться вверх против течения. Это доказывает, что форель в действительности черпает достаточно энергии из вихревой дорожки и использовать ее для собственного движения».
Аналогичные опыты были проведены с вытянутыми кусочками фольги, которые также оказались способны продвигаться между вихрями против течения.
«Мы убедительно показали, что обтекаемое тело , пассивно колеблющееся внутри вихревого следа, может получать достаточно энергии из турбулентных вихрей, чтобы двигать себя против течения. Этот механизм позволяет телу, при определенных условиях, бесконечно преследовать другое тело, которое создает вихревой след. Это также указывает на возможность создания новых энергосберегающих устройств, работающих в воздухе и воде», — говорится в работе.
«В этой работе было открыто некое явление, заключающееся в том, что, если за плохо обтекаемым телом возникает вихревая дорожка, то стоящее позади него пассивное деформируемое тело начинает двигаться вперед, то есть у него, можно сказать, бесплатно возникает положительная тяга. Это фундаментальный, важный и интересный результат, — рассказал RTVI Василий Веденеев, д.ф.-м.н., профессор, заместитель директора НИИ механики МГУ им. М. В. Ломоносова.— Феномен дорожки Кармана и проблемы, которые она создает из-за резонанса, известны давно. Этот эффект возникает, например, на подводных кабелях, тросах, при помощи которых с корабля под воду спускают управляемых роботов, когда трос может начать вибрировать из-за того, что обтекается течением. Ну и самое, наверное, главное, это заводские трубы, высокие цилиндрические объекты — на них, чтобы бороться с этим резонансным возбуждением, устанавливаются винтовые конструкции, которые предотвращают синхронный срыв потока». <h2>Ток из вихря</h2> По словам эксперта, последние десять лет во всем мире активно исследуются способы практического применения этого феномена. «Если мы к такому цилиндрическому телу приставить катушку индуктивности, то при его раскачивании мы сможем извлекать электрическую энергию. На основе этого есть проекты ветрогенераторов, которые в отличие от классических турбинных ветрогенераторов можно использовать на удаленных территориях, в регионах с плохим климатом, например, в пустыне, в Арктике. Мы в Институте механики МГУ занимаемся изучением того, как усилить такие колебания. Раньше боролись с этими колебаниями вообще и стремились их уменьшить, мы наоборот стремимся их раскачать. Мы уже сделали образец, который дает ток, то есть мы продемонстрировали, что такая штука действительно работает — лампочка светится. Преимущество таких конструкций в том, что у классических ветряков есть вращающиеся детали, между которыми есть зазоры, и если туда будет забиваться, например, песок, это очень быстро разрушит подшипники и другие движущиеся элементы. У наших ветряков нет движущихся частей, в их основе — монолитное упругое тело, которое колеблется, и там просто некуда попадать песку», — пояснил Веденеев.
По его словам, явление, открытое в работе, получившей Шнобелевскую премию, можно использовать при создании новых типов самодвижущихся аппаратов. «Действительно, если мы представим себе, что цилиндрическое тело движется в воде или под водой за счет своего движителя, то за ним мы можем поставить гибкого подводного робота, который, не затрачивая энергии, движется вперед просто за счет того, что он находится в вихревом следе этого цилиндра. Мы получаем новую технологию подводного движения, которая может быть гипотетически более эффективна, чем гребной винт, классический движитель подводных аппаратов», — добавил эксперт.
