Prędkość delfinów: koniec „paradoksu Gray’a”

Ale oto nadszedł koniec bezsenności – tym razem zwyciężyli naukowcy. Okazuje się, że - w przeciwieństwie do tego, o czym był przekonany brytyjski zoolog Sir James Gray w 1936 roku a po nim kolejne pokolenia naukowców - mięśnie delfinów są wystarczająco silne, aby umożliwić im pływanie z obserwowanymi prędkościami.

Jeżeli nawet w ostatnich latach biolodzy uwierzyli w znalezienie ostatecznego rozwiązania „paradoksu Gray’a”, brakowało im dowodów naukowych. Do czasu aż Timothy Wei, profesor Rensselaer's School of Engineering nie zdecydował się na wykorzystanie swojej wiedzy z zakresu hydrodynamiki eksperymentalnej. To pozwoliło ostatecznie zakończyć wszelkie spekulacje.

Geneza paradoksu

Delfiny fascynują nas od czasów starożytnych – i tak naprawdę im lepiej je poznajemy, tym więcej zagadek przed nami stawiają. Ale jeśli weźmiemy pod uwagę liczne historie opowiadające o tych sympatycznych zwierzętach ratujących człowiekowi życie, zastanowimy się, czy fascynacja ta nie jest przypadkiem obopólna.

Kiedy w 1936 roku James Gray próbował ocenić siłę mięśni delfinów, doszedł do wniosku, że walenie te nie są wystarczająco silne, aby móc przemieszczać się z prędkością dochodzącą nawet do 45 km/h. W następnych latach badania innych biologów i biomechaników potwierdzały obliczenia Graya; środowisko naukowe zaczęło mówić o tej zagadce z coraz większym zdumieniem.

Pierwsze możliwe wyjaśnienie pojawiło się dość szybko, zaproponowane przez samego Gray’a, i niebawem zyskało wsparcie dość licznych naukowców. Otóż różnica pomiędzy prędkością rzeczywiście uzyskiwaną przez delfiny a tą teoretyczną, wynikającą z siły ich mięśni, bierze się oczywiście z siły oporu. Być może ssakom tym wystarczają ich mięśnie, bo mają sposób na zmniejszenie tej ostatniej? Czyli zagadka nie polega na zwiększeniu siły mięśni a na zmniejszeniu siły oporu? Szybko stwierdzono, że specjalne cechy delfiniej skóry umożliwiają w znacznym stopniu poprawę przepływu wody wokół ich ciała i zmniejszenie związanej z nim siły tarcia.

Spekulacje te dały pozytywne efekty również w innych dziedzinach nauki: zrozumienie, w jaki sposób takie zjawisko jest możliwe, doprowadziło do postępu w konstrukcji nie tylko specjalnych powłok dla łodzi podwodnych i torped, ale także do zwiększenia wydajności samolotów i zmniejszenia zużycia paliwa.

Najlepsi pływacy

Timothy Wei oddał swą wiedzę i umiejętności na służbę olimpijskim pływakom badając zjawiska zachodzące przy ich ruchu. Przy pomocy ultra-szybkiej kamery stał się ekspertem w dziedzinie wykorzystywania siły produkowanej przez ich mięśnie do poruszania się w wodzie i doradzał w sprawie zmian technicznych mających na celu zwiększenie ich skuteczności, kiedy uświadomił sobie, że prawdopodobnie mógłby wykorzystać tę nowoczesną technikę do zgłębienia sekretu delfinów.

Za pomocą techniki znanej jako Digital Particle Image Velocimetry filmował ruchy dwóch delfinów, ochrzczonych jako Primo i Puka, wykonując około tysiąca zdjęć na sekundę. Na zdjęciach tych obserwował mini-pęcherzyki powietrza, którymi wypełniony był basen doświadczalny, by następnie przy użyciu specjalnego oprogramowania do przetwarzania obrazu analizować ich szybkość i kierunek przemieszczania.

Na tej podstawie bez trudu wywnioskował, że - wbrew wcześniejszym szacunkom – delfiny są w stanie czerpać swoją rzeczywistą siłę wyłącznie z ruchu mięśni. Wei ocenił zarówno siłę, jaką wytwarza ogon delfina podczas pływania, jak i podczas „stania” w wodzie w pozycji pionowej. Wyniki są jednoznaczne. Mięśnie delfinów są 10 razy silniejsze niż pozwalały sądzić wcześniejsze obserwacje; są więc dostatecznie silne, by umożliwić im pływanie z takimi prędkościami, jakie obserwujemy.

I po paradoksie…