Рыба-брызгун умело использует законы гидродинамики

Джонатан Сарфати
Перевод: Алексей Калько (creationist.in.ua)
Переведено с разрешения creation.com

Присоединяйтесь к нам на Facebook!

Нажмите «Нравится», чтобы первыми узнавать о новых статьях

Фото: istockphoto.com/ZU_09

Брызгун1 – мелкая рыба, размером, как правило, 5–10 см, которая охотится необычным способом. Помимо поиска добычи в воде, брызгуны охотятся на добычу, которая сидит высоко над водой. Они сбивают её, выстреливая в неё мощной струёй воды. Это гораздо сложнее, чем кажется. 

Сама струя образуется в узком канале в нёбе, сформированном путём прижатия языка к канавке. Затем рыба сжимает свои жаберные крышки, чтобы протолкнуть воду через этот канал и выпустить её изо рта. 

Взрослый брызгун обычно попадает в цель с первого раза. Но он видит добычу из воды, что создаёт проблемы с преломлением лучей света (искривлением) на границе вода–воздух. При типичном угле выстрела 74° к горизонтали преломление приводит к тому, что брызгун видит цель под углом 78°. Он может стрелять и под более пологими углами, вплоть до 45°, при котором искажение ещё больше – видимый угол составляет 58°.2 Брызгун должен учитывать эту разницу. Он также должен учитывать то, что струя не будет двигаться по прямой линии, но искривится вниз под действием силы тяжести, образуя параболическую траекторию. 

И всё это было бы бессмысленно, если бы брызгун не мог поймать свою добычу после того, как та упадёт в воду. Всего за одну десятую секунды – такая скорость реакции вдвое быстрее, чем у людей – он поворачивает своё тело, чтобы быть готовым к броску на добычу. При этом он поворачивается не в сторону фактического положения, но к прогнозируемой (или расчётной) точке падения. То есть брызгун уже рассчитал точку падения своей добычи исходя из её высоты, скорости и угла, под которым она была сбита.3 Биолог-креационист доктор Дэвид Кетчпул писал об этом так:

«Это означает, что мозг рыбы-брызгуна способен к сложной математике (тригонометрии и исчислению). Но программирование, необходимое для этого расчёта является очень продвинутым, а также оно будет бесполезным, пока не станет полностью функциональным».4

Кроме того, брызгун знает не только направление, но и расстояние, и выбирает стартовую скорость своего рывка, чтобы достичь цели всего через двадцатую долю секунды после удара.5

Анимация выстрела брызгуна


Супер-струя

Но удивительное в рыбе-брызгуне не заканчивается на её меткости. Она также использует уникальные и часто недооценённые свойства воды,6 чтобы произвести достаточно мощную струю и сбить крепко удерживающуюся добычу.7 Сидящие насекомые обычно прочно удерживаются с силой, превышающей их вес приблизительно в 10 раз, часто с помощью изобретательных гидравлических и механических приспособлений.8,9 Основная часть водной струи фактически ускоряется во время полёта, и скапливается незадолго до удара. Поскольку снарядом является вода, столкновение с насекомыми является неупругим, то есть кинетическая энергия эффективно передаётся от снаряда цели. В результате сила удара по насекомому в 10 раз сильнее, чем сила, которая удерживает его.10

Мощность струи обеспечивается двумя факторами. Первый – это высокое поверхностное натяжение воды – сила, вызванная притяжением молекул воды друг к другу, которая пытается поддерживать минимальную площадь поверхности. Этот эффект, который делает поток жидкости неустойчивым, называется неустойчивостью Рэлея–Плато.11 В результате даже самый ровный поток всё равно имеет небольшие неровности: маленькие выпуклости и вогнутости. Поверхностное натяжение стягивает вогнутости ещё больше, пока они не сомкнутся, разделяя поток в отдельные капли. Но это, скорее всего, было бы контрпродуктивным, поскольку сила воды распределилась бы по отдельным каплям. 

Поэтому брызгун использует второй эффект под названием кинематический сбор. Рыба контролирует силу струи таким образом, что задние капли движутся быстрее, чем передние. Рядом с целью быстрые задние капли догоняют передние. Они сливаются и добавляют свою массу и скорость, чтобы сформировать одну большую и быструю каплю. 

Именно сочетание эффектов делает эту струю такой эффективной. Это может быть ещё одним примером порога функциональности – механизм не будет работать, пока несколько суб-механизмов не будут присутствовать одновременно.

Но процесс кинематического сбора без неустойчивости Рэлея–Плато также был бы неэффективным, потому что капля будет становиться шире. Таким образом, большая её часть не попадёт в добычу, и энергия будет растрачена впустую. Так что именно сочетание эффектов делает эту струю такой эффективной. Это может быть ещё одним примером порога функциональности – механизм не будет работать, пока несколько суб-механизмов не будут присутствовать одновременно. Кроме того, эта концентрация силы, в пересчёте на вес, обеспечивает эффект в пять раз сильнее, чем могут произвести мышцы любого позвоночного.7

Вывод

Физик доктор Аатиш Бхатиа подводит такой итог своей работе:

«Рыба-брызгун охотится, используя практические знания кинематики, гравитации, оптики и гидродинамики, легко решая проблемы, которые могут не давать уснуть студенту-физику ночью. Она использует науку, чтобы обрести сверхчеловеческие (или, скорее, сверхрыбьи) способности, подобно Соколиному Глазу животного царства, всегда попадая в цель и имея неиссякаемый запас стрел».12

Кроме того, дизайн рыбы-брызгуна вполне может помочь людям-инженерам в будущем, как пишет группа исследователей:

«Этот процесс [кинематический сбор] похож на формирование капель в технологии струйной печати Drop-on-Demand, которая до сих пор в значительной степени зависит от эмпирических исследований, которые потенциально могут извлечь выгоду из биомимикрии рыбы-брызгуна».7

Если нужна изобретательность, чтобы проектировать струйную копию, сколько же изобретательности необходимо, чтобы создать оригинал?13 Разве это не свидетельствует о Великом Инженере?

Статьи по теме

Видео по теме

Ссылки и примечания

  1. Семейство Toxotidae (согласно классификации Кювье 1816 г.), состоящее из семи видов единственного рода Toxotes (согласно классификации Кювье 1816 г.). Назад к тексту
  2. Согласно закону преломления Снеллиуса, nasin(i) = nwsin(r), где n – показатель преломления, 1 для воздуха и 1,33 для воды; i – угол падения света (угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности), а r – угол преломления света (угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности). Назад к тексту
  3. Rossel, S., Corlija, J. и Schuster, S., Predicting three-dimensional target motion: how archer fish determine where to catch their dislodged prey, Journal of Experimental Biology 205(21):3321–3326, 1 ноября 2002 г. Назад к тексту
  4. Catchpoole, D., Aim, spit and catch, Creation 25(2):43, 2003 г.; creation.com/archer. Назад к тексту
  5. Wöhl, S. и Schuster, S., Hunting archer fish match their take-off speed to distance from the future point of catch, Journal of Experimental Biology 209(1):141–151, 1 января 2006 г. | doi: 10.1242/ jeb.01981. Назад к тексту
  6. Sarfati, J., The wonders of water, Creation 20(1):44–47, 1997 г.; creation.com/water. Назад к тексту
  7. Vailati, A., Zinnato, L., Cerbino, R., How archer fish achieve a powerful impact: hydrodynamic instability of a pulsed jet in Toxotes jaculatrix, PLoS One 7(1):e47867 doi:10.1371/journal.pone.0047867. Назад к тексту
  8. Federle, W. и др., Biomechanics of the movable pretarsal adhesive organ in ants and bees, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 98(11):6215– 6220, 22 мая 2001 г. | doi: 10.1073/ pnas.111139298. Назад к тексту
  9. Sarfati, J., Startling stickiness: How ants and bees adhere with amazing machinery, Creation 24(2):37, 2002 г., creation.com/stickiness. Назад к тексту
  10. Vailati и др., ссылка 7, пишут: «Сила воздействия имеет среднюю величину около 200 мН [милиньютонов].Сила закрепления таких насекомых, как мухи или клопы, как правило, менее 20 мН для видов с массой тела до 100 мг, с пиковыми значениями около 40 мН для жуков». Назад к тексту
  11. В честь бельгийского физика Жозефа Плато (1801–1883) и английского физика, Нобелевского лауреата и креациониста лорда Рэлея (Джон Уильям Стретт, 1842–1919). Назад к тексту
  12. Bhatia, A., The fluid dynamics of spitting: how archerfish use physics to hunt with their spit, wired.com, 29 ноября 2013 г. Назад к тексту
  13. В конце концов, почему бы хорошему Создателю делать что-то, предназначенное для сбивания насекомых с целью их убийства для еды? Во-первых, такая система могла быть полезна до грехопадения для сбивания растительности в пищу, прежде чем Бог проклял землю и растительность (Бытие 3:17). Во-вторых, Бог предвидел грехопадение, и поэтому запрограммировал способности, которые могли оказаться полезными в мире после проклятия. В-третьих, насекомые, вероятно, всё равно не являются «живыми существами» в библейском смысле (ивр. nephesh chayyāh, שפנ היה); доктор Кетчпул назвал их «божьими роботами» (в личной переписке). Назад к тексту

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ!

Наверх