Рыба, использующая законы физики при охоте

Рыбы-брызгуны давно поражали ученых удивительной способностью охотиться на насекомых, сбивая их сильной струей воды с надводной растительности.

До сегодняшнего дня считалось, что рыба может столь сильно плеваться благодаря внутренним, доселе неописанным, структурам самого брызгуна. Но итальянские специалисты, проведя кинематический анализ водной струи, показали, что никаких специальных структур брызгуну не требуется. Рыба просто умело применяет законы гидродинамики, используя нестабильные свойства струи, что, кстати, напоминает механизм работы струйного принтера.

Рыбы-брызгуны, живущие в мангровых болотах, выработали уникальный способ охоты на насекомых. Как только они замечают свою жертву, сидящую на листе над водой, они метко плюются в нее сильной струей воды и сбивают насекомое, которое падает в воду и благополучно съедается. Со времен описания замечательного способа охоты брызгунов (а описан он был очень давно — в 1764 г.) ученые много ломали головы над механизмом, с помощью которого рыба может так сильно плеваться. Ученые искали какие-либо внутренние структуры наподобие тех, что известны у хамелеонов и саламандр, у которых мышечная энергия медленно накапливается в коллагеновых волокнах, а затем быстро высвобождается, в результате чего язык «выстреливает» с ускорением 500 м/с2. Но никаких морфологических структур, похожих на описанный механизм катапульты у хамелеона, у брызгунов найдено не было.

Чтобы разобраться в этом механизме, физики из Миланского Университета засняли процесс охоты полосатого брызгуна Toxotes jaculatrix на сверхскоростную видео-камеру (даже страшно представить — 1000 кадров в секунду!), после чего провели кинематический анализ видеокадров. Анализ дал удивительные результаты. Оказывается, брызгуну совсем не нужен особый внутренний механизм плевания, просто рыбы меняют скорость и ускорение выплевываемой жидкости и искусно используют законы гидродинамики.

В исследовании участвовали два брызгуна сходного размера (длиной 67 и 61 мм), которых поместили в плоский аквариум и заставили плевать через рамку с узкой щелью. Это было сделано для того, чтобы рыба всегда располагалась в профиль к видеокамере. Только в этом случае можно было получить снимки струи с постоянного ракурса. Оказалось, что струя вылетает изо рта брызгуна с ускорением, а потом летит почти по баллистической траектории, то есть в основном под действием силы тяготения и силы аэродинамического сопротивления воздуха. В струе можно было выделить большую головную часть и тонкий «хвост», причем головная часть постепенно увеличивалась в процессе полета. В диапазоне расстояний, на которые плевали рыбы, траектория полета струи была сравнима с линейной независимо от угла плевка. Но у рыб все-таки наблюдался предпочтительный угловой сектор от 70 до 80 градусов, под которым они чаще всего плевали.

Авторы попытались подробно разобраться в том, что же происходит в первые 10–15 мс плевка. Струя воды вылетает изо рта рыбы со сравнительно малой скоростью 2 м/с и с сильным ускорением 200–400 м/с2. В течение 15 мс ускорение падает до нуля. Начальное ускорение головной части струи приводит к скорости около 4 м/с. Примечательно, что постепенно увеличивается размер головной части, что свидетельствует о более высокой скорости хвостовой, чем головной частей струи. Головная часть увеличивается за счет того, что жидкость переходит туда из хвоста. Почему это происходит?

Авторы рассчитали, как меняется сила головной части струи во время полета и какова она в момент удара о насекомое, используя всем известный второй закон Ньютона. Они, конечно, сделали некоторые допущения: по расчетам жертва должна быть неподвижна, поверхность ее полностью смачиваема, а отражение от насекомого должно полностью отсутствовать. В результате они получили постепенно нарастающую силу (рис. 3, А), которая в момент удара достигает в среднем 200 миллиньютонов. Среднее насекомое (например, муха или клоп) массой около 100 мг обычно цепляется за лист с силой примерно 20 мН. Таким образом, сила струи при ударе почти на порядок превышает силу, с которой жертва хватается за субстрат, что объясняет легкость, с которой сбивается насекомое. утверждают, что это получается просто потому, что сама рыба меняет скорость выплевываемой жидкости, постепенно ее увеличивая.

ANN.Az