Парадокс Грея - Gray's paradox

Тихоокеанский белобоковой дельфин ( Sagmatias obliquidens ) в Национальном морском заповеднике залива Фараллонес

Парадокс Грея - это парадокс, сформулированный в 1936 году британским зоологом сэром Джеймсом Греем . Парадокс состоял в том, чтобы выяснить, как дельфины могут достигать таких высоких скоростей и ускорений при небольшой мышечной массе. Грей оценил силу, которую дельфин может проявлять, основываясь на его физиологии, и пришел к выводу, что этой силы недостаточно для преодоления силы сопротивления в воде. Он предположил, что кожа дельфина должна обладать особыми свойствами, препятствующими трению.

В 2008 году исследователи из Политехнического института Ренсселера , Университета Уэст-Честера и Калифорнийского университета в Санта-Крузе использовали цифровую велосиметрию с изображением частиц, чтобы доказать неправоту Грея.

Тимоти Вей, профессор и исполняющий обязанности декана инженерной школы Ренсселера, снял на видео двух афалин, Примо и Пука, когда они плыли через участок воды, населенный сотнями тысяч крошечных пузырьков воздуха. Компьютерное программное обеспечение и инструменты измерения силы, разработанные для аэрокосмической отрасли, были затем использованы для изучения велосиметрии с изображением частиц, которое регистрировалось со скоростью 1000 кадров в секунду (fps). Это позволило команде измерить силу, прилагаемую дельфином. Результаты показали, что дельфин прилагает приблизительно 200 фунтов силы каждый раз, когда он толкает хвост - в 10 раз больше, чем предполагал Грей, - и при максимальной силе может прилагать от 300 до 400 фунтов.

Вэй также использовал эту технику, чтобы снимать дельфинов, когда они делали стойку на хвосте, трюк, в котором дельфины «ходят» по воде, удерживая большую часть своего тела вертикально над водой, поддерживая себя короткими мощными толчками хвоста.

В 2009 году исследователи из Национального университета Чжун Син на Тайване представили новые концепции «похищенных аэродинамических поверхностей» и «циркулирующей лошадиных сил», чтобы объяснить плавательные способности рыбы-меч . Рыбы-меч плавают даже с большей скоростью и ускорением, чем дельфины. Исследователи заявляют, что их анализ также «решает загадку парадокса серого дельфина».

Ошибочное предположение Грея

Предыдущие исследования, направленные на опровержение парадокса Грея, рассматривали только аспект уменьшения сопротивления кожи дельфина, но никогда не подвергали сомнению основное предположение Грея «что сопротивление не может быть больше, чем работа мышц», что в первую очередь привело к парадоксу. В 2014 году группа инженеров-теоретиков из Северо-Западного университета подтвердила ложность основной гипотезы парадокса Грея. Они математически показали, что сопротивление волнообразных пловцов (таких как дельфины) действительно может быть больше, чем мускульная сила, которую они генерируют, чтобы продвинуться вперед, и это не парадоксально. Они ввели понятие «энергетический каскад», чтобы показать, что во время плавного плавания вся генерируемая мышечная сила рассеивается вслед за пловцом (за счет вязкого рассеивания). Пловец использует силу мышц для волнообразного движения своего тела, заставляя его одновременно испытывать сопротивление и тягу. Сила мускулов должна быть приравнена к силе, необходимой для деформации тела, а не к силе сопротивления. Напротив, силу лобового сопротивления следует приравнивать к силе тяги. Это связано с тем, что во время устойчивого плавания сопротивление и тяга равны по величине, но противоположны по направлению. Их выводы можно резюмировать в простом уравнении баланса мощности:

${\ displaystyle \ mathbf {P} _ {muscle} + \ mathbf {P} _ {thust} = \ mathbf {P} _ {drag} + \ mathbf {P} _ {deformation}}$

в котором,

${\ displaystyle \ mathbf {P} _ {muscle} = \ mathbf {P} _ {deformation} {\ text {and}} \ mathbf {P} _ {thust} = \ mathbf {P} _ {drag}}$.

Важно признать тот факт, что пловцу не нужно тратить энергию на преодоление сопротивления на всем протяжении своей мышечной работы; ему также помогает сила тяги в этой задаче. Их исследования также показывают, что определение сопротивления на теле является определяющим, и в литературе широко распространены многие определения сопротивления плавающего тела. Некоторые из этих определений могут дать большее значение, чем сила мышц. Однако это не приводит к какому-либо парадоксу, потому что более высокое сопротивление также означает более высокую тягу в уравнении баланса мощности, и это не нарушает никаких принципов баланса энергии.

Рекомендации

Заметки

• Фиш, Франк (2005) Морская свинья для власти Журнал экспериментальной биологии , классика, 208 : 977–978. DOI : 10,1242 / jeb.01513

Внешние ссылки

• Парадокс Грея в журнале Science Daily