Парадокс Денни.

А не хотелось бы Вам уметь передвигаться по воде, "аки посуху"? Ученые говорят, что у человека слишком большой рост, чтобы использовать такой способ передвижения, а, кроме того, надо было бы иметь очень большие ступни и очень длинные ноги ...

Парадокс Денни был выявлен в результате рассмотрения локомоции (движения) свободно перемещающихся по поверхности воды насекомых (например, водомерок) и несоответствия их способа передвижения расчетным данным.

В результате расчетов было выявлено следующие противоречие: эти существа не в состоянии создать достаточное мускульное усилие, чтобы развивать необходимую для перемещения по воде скорость, а значит двигаться по воде водомерки в принципе не могут.

Парадокс был назван в честь Марка Дэнни, профессора биологии Стенфордского университета.

Но, сначала просто поговорим о водомерках.Как они выглядят?

У водомерки три пары конечностей. Ведущими, т.е. гребущими, являются средние – ими она пользуется, как парой вёсел. Задние конечности служат рулём и тормозом. А передними водомерка хватает добычу.

Эти конечности у водомерки покрыты тысячами крошечных волосинок, которые практически не намокают, и это тоже очень важно, чтобы удерживаться наплаву: ведь если бы лапы намокли, они тянули бы вниз, да и вытащить их из воды было бы трудновато. Несмачиваемость лапок обусловлена определенной конфигурацией и углом наклона волосков, а не наличием жирного покрытия как считалось ранее.

У этих водяных скороходов есть два вида «походки». Скольжение переносит их вперёд на длину корпуса, а прыжок толкает в воздух вперёд-вверх. Они могут совершать прыжки примерно в четыре длины своего корпуса.
Вес насекомого уравновешивается поверхностным натяжением воды, сила которого в десять раз превышает вес водомерки.

Между собой эти насекомые сообщаются за счёт капиллярных волн, которые создают, шлёпая средними лапками по поверхности. Частота этих вибраций – позволяет определить приближающегося.

Водомерка длиной 1см перемещается со скоростью 150см в секунду. Это как если бы человек ростом 1,8м плыл со скоростью 644км в час, то есть быстрее многих реактивных самолётов!

Почему это насекомое не тонет? Не только ведь благодаря ворсистым лапкам? Это живое существо, похоже, умудряется попирать некоторые законы физики. Не только крошечные, но и взрослые особи движутся по поверхности воды, как если бы это была твердь, суша. И – никогда не погружаются в воду! Эта загадка давно интриговала учёных.

А теперь о сути парадокса и его объяснении!
Долгое время учёные считали, что водомерка движется благодаря создаваемым ею волнам. Поверхностные волны посылают импульсы в направлении, противоположном движению. Что и происходит. Затем, по 3-му закону Ньютона (о том, что на каждое действие есть равное ему противодействие) сила противодействия этих волн толкает насекомое вперёд. Однако для создания таких волн лапка насекомого должна двигаться со скоростью, превышающей 25см в секунду – это минимальная скорость поверхностной волны. Превышение этой скорости – вовсе не проблема для такого насекомого, как водомерка с её длинными ногами. Но если бы так оно и было, то малыши-водомерки, у которых лапки намного короче и слабее, не могли бы угнаться за родителями. То есть они вообще не должны бы бегать по воде! Однако никаких проблем у малышей нет. Вот эта «нестыковка», это несоответствие между теорией и практикой стало известно с 1993 года как « парадокс Денни ».

Биолог из Стэнфордского университета Марк В. Денни указывал тогда, что – теоретически – крошечные водомерки не могут ходить по воде, поскольку их лапки ещё не достаточно быстры, чтобы создавать волну. Фактически же и новорожденные перемещаются по поверхности воды столь же успешно, как и взрослые особи. Малыши водомерки могут быть даже и 1мм длиной, но отлично передвигаются.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института – решили, наконец, «парадокс Денни». На обложке августовского 2003г. выпуска журнала Nature изображена водомерка, которую привлёк свет – она устремилась к нему, подобно Икарусу. Но, поскольку воду окрашивали синим тимолом, а снизу подсвечивали, удалось понять, какие следы оставляет на воде насекомое. Чётко видно, как в фазе замедления движения («торможения») перед очередным гребком в воде возникают крошечные завихрения. Эти мини-водовороты – закрутки потока – дают водомерке возможность перемещаться по поверхности без всяких усилий, будь то тихий пруд или беспокойный океан.

Учёные доказали, таким образом, что водомерки любого размера пользуются своими конечностями, словно вёслами, - гребут и передают импульс воде главным образом через дипольные завихрения, создаваемые их лапками. Для проверки этой гипотезы нужно было создать некое подобие водомерки – механизм, который бы работал на тех же принципах гидродинамики. Исследователи решили сделать искусственное насекомое, способное имитировать движения водомерки.

Созданного робота назвали по аналогии – «робострайдер». Задача состояла в том, чтобы самодвижущееся устройство было достаточно лёгким, – настолько, чтобы его вес могла удерживать сила поверхностного натяжения воды. Однако вес прибора тем больше, чем механизм сложнее. А потому нужно было сделать что-то до предела простое.

Окончательный вариант робота похож на живое насекомое, но, конечно, существенно превосходит типичную водомерку по размеру и уступает ей по сноровке. Это механизм длиной 9см, он имеет пару средних движимых «конечностей» плюс две пары поддерживающих – как это бывает и у настоящих водомерок. Сама конструкция – алюминиевая, «конечности» – из нержавеющей стали. За пять «шагов» такой механизм проходил путь в 20-30см.

Искусственная водомерка перемещается, конечно, не столь быстро, изящно и грациозно, как настоящая. Но, используя математические расчёты, высокоскоростную видео-съёмку, массу других методов изучения водного потока, ученые окончательно установили, каким же образом движется по поверхности водомерка.

Когда насекомое касается воды, кончики его тоненьких лапок создают микроскопические ложбинки – углубления на поверхности. Средними лапками водомерка гребёт, делая в среднем по два гребка в секунду и передавая импульс вниз, под воду, где возникают дипольные завихрения. А мениски, появляющиеся позади ведущей пары конечностей, используются как гребные лопасти весла. Они-то и толкают насекомое вперёд, ибо поверхность ложбинок действует как трамплин. И хотя гребное движение лапок создаёт крошечные волны, они не играют существенной роли, как считают учёные. Главное тут в этих микроскопических водоворотах. Передача импульса осуществляется в основном в форме подповерхностных завихрений.

Именно так работают гребные лодки. Весло идёт в воду и отталкивает жидкость назад. Водомерки делают то же самое, с той лишь разницей, что они не погружают свои «вёсла» под воду. Но ямки, создаваемые ими на поверхности воды, действуют, словно лопасть весла».

По поверхности воды перемещаются и другие живые существа. Это, например, пресноводный паук Dolomedes, живущая на прудах улитка Physidae, жучки Microvelia, болотные насекомые и, наконец, ящерица Basiliscus vittatus, способная бегать по воде, почти к ней не прикасаясь, – не случайно же ее называют «Иисусовой ящерицей». Принцип движения у каждого насекомого или животного разный, но с инженерной точки зрения интересны все. Кто-то движется наподобие наших судов на воздушной подушке, кто-то отталкивается от крошечных неровностей водной поверхности, а то и пользуется совсем особой формой взаимодействия воды, воздуха и твёрдой поверхности, что позволяет двигаться и по воде, и посуху.
Физика, гидродинамика таких явлений пока ещё мало изучена.

Источник : http://class-fizika.spb.ru/