Прежде чем коснуться сложных вопросов биофизики живой
рыбы с ее пузырем, назначение которого остается спорным, поговорим о
железных рыбах – подводных лодках с железными же пузырями – отсеками с
воздухом, где все более или менее ясно.
Давно ли возникли подводные лодки? Обычно считают, что
первым описал свою фантастическую подводную лодку «Наутилус» Жюль Верн.
Но, оказывается, еще Александр Македонский опускался в стеклянной бочке,
изобретенной великим Аристотелем, под воду, чтобы познакомиться с миром
китов, рыб и водяных чудовищ. Не верите – взгляните на рис. 185, где
воспроизведена сцена из французского рыцарского романа XIV в. «Истинная
история достопочтимого Александра». Но, увы, этот проект документально и
вещественно не подтвержден.
Реально же подводная эпопея человечества началась с
водолазных колоколов. Было замечено, что если погружать колокол, да и
просто стакан в воду вверх дном, то в верхней части сосуда всегда будет
воздух. Этим-то воздухом и предполагалось дышать водолазу в водолазном
колоколе при работах на дне рек, озер и других водоемов. Незаменим такой
колокол при возведении мостов, точнее, опор для них. Известен рисунок
средних веков, где по дну реки внутри огромного водолазного колокола
передвигается человек. Рис. 185. Александр Македонский в Аристотелевой бочке
Более поздний водолазный колокол использовался «для
извлечения пиастров из затонувшей галеры». Дело было в Испании в г.
Кадиксе, а описание этого события и приводимый на рис. 186 чертеж
водолазного колокола были помещены во французской «Ученой газете» от 4
апреля 1678 г. Так что описываемые события достоверны. Рис. 186. Водолазный колокол «для извлечения пиастров»
Но первая настоящая подводная лодка, боевая,
самостоятельно передвигающаяся под водой, была построена в 1776 г.
американским изобретателем Дэвидом Бушнеллом и названа «Черепахой»
(по-английски морская черепаха – тэртл, – почти Тортилла). Устройство
лодки понятно из рис. 187: водоизмещение ее 2 т, высота 1,8 м, диаметр
1,4 м. Во время войны за независимость в Северной Америке (1775—1783)
«Черепаха», управляемая сержантом по фамилии Ли, погрузилась в воду,
подошла в Нью-Йоркской гавани к 64-пушечному английскому фрегату «Игл». С
помощью специального бурава сержант Ли пытался просверлить днище
фрегата, чтобы установить там мину. Но этого не удалось сделать, так как
Ли со своим буром не справился с медной обшивкой корабля. Рис. 187. «Тэртл» Дэвида Бушнелла
Говорят, что в России подводная лодка была придумана
раньше, чем где бы то ни было, а именно крестьянином Ефимом Никоновым
еще в 1718 г., причем свою заявку (челобитную) на изобретение «огненного
потаенного судна» он подал прямо на имя императора Петра I. В 1724 г.
попытались испытать «огненное судно», а чем окончились испытания,
понятно из того, что вскоре после этого изобретателя отправили в ссылку,
где он и умер…
Работы по созданию подводных лодок, хотя более поздние,
но и более успешные, проводились во Франции (1800 г.) и Германии
(1850 г.); там все обошлось без ссылок.
Существует еще мнение, что первой действующей подводной
лодкой было судно голландского физика Корнелиуса ван Дреббеля,
построенное в 1620 г. в Англии в эпоху короля Якова I. Судно ван
Дреббеля успешно плавало на глубине 3 – 5 м, маневрировало, а затем
исчезло в пучине… нет, не морской, а времени. О нем забыли.
Но загадки остались. Для подводных аппаратов того
времени британский математик У. Борн предложил использовать полую мачту –
шноркель – для забора свежего воздуха. Актуальность этого предложения
ясна хотя бы из того, что современные танки для перехода под водой
используют то же самое. Но на судне ван Дреббеля шноркеля не было. Как
могли дышать там люди, неизвестно до сих пор.
Устройство подводной лодки с дизельным двигателем и электроаккумуляторами показано на рис. 188. Рис. 188. Подводная лодка с дизельным двигателем и электроаккумуляторами
Не будем подробно описывать современные подводные лодки с
атомными реакторами на борту, которые позволяют практически
неограниченно долго находиться под водой, – это военная тайна.
Остановимся на батискафах – глубоководных подводных лодках, способных
погружаться на любую глубину и двигаться там. Прообразом батискафа была
батисфера (рис. 189), которая сама, однако, двигаться не могла. Рис. 189. Батисфера
Хорошо известны знаменитые батискафы швейцарского
ученого Пиккара (рис. 190), который начал с глубины 3 км и закончил дном
Марианского желоба на глубине 11,5 км, которой он достиг 23 января
1960 г. Глубже пока никто не спускался, это рекорд абсолютный, так как
большей глубины в мировом океане нет. Рис. 190. Батискаф
Принцип погружения и всплывания подводных судов прост.
Судно выполняется по общей плотности легче воды, что достигается
многочисленными пустотами, заполненными воздухом. Для погружения
некоторые из этих пустот заполняются водой, судно становится «плотнее»
воды и опускается вниз. Чтобы всплыть, вода выдавливается наружу,
пустота оказывается заполненной сжатым воздухом, который легче воды, и
судно поднимается вверх. Вот и весь принцип. Да простят автора
специалисты-подводники за непрофессиональные выражения типа «пустоты», видимо, у подводников они называются иначе, но так понятнее для не подводников.
Аналогично всплыванию подводных лодок производится
подъем затонувших судов, строго в соответствии с законом Архимеда. К
затонувшему судну тросами прицепляют заполненные водой понтоны – полые
ящики или цистерны из листового металла (рис. 191). После этого воду из
понтонов вытесняют сжатым воздухом, подаваемым по шлангам сверху. На
глубине 25 м, например, вода имеет давление 0,35 МПа (0,25 – от воды и
0,1 – от атмосферы). Воздух надо подавать с чуть большим давлением,
например 0,4 МПа. Понтоны приобретают плавучесть и поднимают судно или
иную тяжесть наверх. И наконец, о тайне рыбьего пузыря. Этому пузырю,
который имеется у большинства рыб, иногда приписывают функцию описанных
понтонов. Дескать, захочет рыба погрузиться, она силой своих мышц сожмет
пузырь, уменьшит объем воздуха, станет плотнее воды и уйдет вниз. И
наоборот, силой других мышц она раздует пузырь и всплывет. Такое
представление о функции плавательного пузыря рыб было высказано
профессором Флорентийской академии Борели в 1685 г. и в течение более
200 лет принималось без возражений. Возможно, многие из вас, читатели,
думают о назначении рыбьего пузыря подобным же образом, потому что в
ряде современных научно-популярных книг по физике так и написано. Рис. 191. Подъем затонувшего судна понтонами
Но на самом деле все иначе. Для понимания функции этого
пузыря рассмотрим игрушку, придуманную великим Рене Декартом и названную
Картезианским водолазом (Декарт – по латыни «Картезиус»).
Эту игрушку можно легко сделать самому (рис. 192).
Большая пробирка или высокая мензурка полностью заливается водой, и туда
же помещается пипетка, частично заполненная водой, так, чтобы она имела
очень небольшую плавучесть. Естественно, пипетка, которую мы назовем
водолазом (в игрушках она выполнялась в виде маленького водолаза),
плавает на поверхности. Но стоит нам повысить давление в мензурке,
например, резиновой грушей или трубкой и собственными легкими, как
водолаз начинает тонуть. Воздух выдавливается из резинового баллончика
пипетки, и плавучесть становится отрицательной. Водолаз тонет. Рис. 192. «Картезианский водолаз»
Вот таково примерно назначение рыбьего пузыря у их
обладательниц. Пузырь имеет связь с плаванием рыб, так как рыбы, у
которых пузырь был при опытах искусственно удален, могли держаться в
воде, только усиленно работая плавниками, а при прекращении этой работы
опускались на дно. У акул вообще нет пузыря, вот и приходится им
постоянно работать плавниками, чтобы не «утонуть» – упасть на дно. Чтобы
не «утонуть», акула «плавает» даже во сне.
Какова же истинная функция пузыря? Весьма ограниченная и
пассивная: он лишь помогает рыбе оставаться на определенной глубине, а
именно на той, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы.
Сжимать пузырь, изменяя плавучесть, рыба не в состоянии, так как стенки
ее плавательного пузыря лишены мышечных волокон, которые могли бы
изменять его объем.
Что такое пассивное изменение объема тела действительно
имеет место у рыб, подтверждается следующим опытом (рис. 193). Рыбка в
усыпленном состоянии (под наркозом) помещается в закрытый сосуд с водой,
в котором поддерживается достаточное давление, близкое к тому, какое
бывает на глубине в естественном водоеме. На поверхности воды рыбка
лежит вверх брюшком. Погруженная немного глубже, она вновь всплывает на
поверхность. Помещенная ближе ко дну, она опускается на дно. Но в
промежутке между обоими уровнями существует такой слой воды, в котором
рыбка остается в равновесии – не тонет и не всплывает. Все это
становится понятным, если вспомним сказанное ранее о Картезианском
водолазе. Рис. 193. Опыт с усыпленной рыбкой
Итак, вопреки распространенному мнению рыба не может по
своему желанию раздувать или сжимать пузырь, изменения его объема
происходят пассивно, под действием наружного давления. Эти изменения
объема для рыбы не только не полезны, а, напротив, приносят ей вред, так
как вызывают либо неудержимое падение на дно, либо столь же неудержимый
подъем на поверхность. Другими словами, пузырь помогает рыбе в
неподвижном положении сохранять равновесие, но равновесие это
неустойчивое.
Пузырь нужен рыбе ровно настолько, насколько нам, людям,
нужен аппендикс. Вырезали его – и слава Богу! Акула, думаю, нисколько
не уступает другим рыбам в жизнеспособности, а ведь у нее, как уже было
отмечено, пузыря-то нет!
|
