я могу 
Все гениальное просто!
Машины и Механизмы
Все записи
текст

Дельфины и парадокс Грея

Рассказывая о парадоксе выжившего, психологи часто приводят в пример истории о дельфинах. Эти животные приходят на помощь тонущим людям – нам известно множество подобных историй. И в чем же здесь парадокс?
Дельфины и парадокс Грея

Фото: Avery Cocozziello unsplash.com

Ответ прост: в выборке, на основании которой мы делаем выводы. Посмотрим на каждый случай спасения человека дельфином с точки зрения статистики и получим парадокс выжившего, или «ошибку выжившего». Ведь «опрошенными» по факту могут стать только те, кого дельфины в итоге спасли! Остальные в опросе по понятным причинам участвовать, увы, уже не могут.


Другими яркими примерами «парадокса выжившего» зачастую становятся «вдохновляющие истории успеха». Фильм или пост в сети об успешном ученом или заработавшем миллиарды предпринимателе могут легко ввести в заблуждение массовую аудиторию. Взять хотя бы Альберта Эйнштейна, исключенного из школы, Билла Гейтса, отчисленного из Гарварда, или Романа Абрамовича, бросившего Ухтинский индустриальный институт, – как тут не сделать вывод, что образование и успех – вещи несовместные?

Марк Туллий Цицерон exhibits.museogalileo.it

Любопытный пример «парадокса выжившего» приводит Марк Туллий Цицерон (106 год до н. э. – 43 год до н. э.) в трактате «О природе богов». По сюжету знаменитый «безбожник» Диагор Мелосский спорит со своим другом, который привел его в храм на острове Самофракия, чтобы продемонстрировать доказательства милости богов. В храме было установлено множество табличек, повествующих о пожертвованиях, сделанных людьми, вернувшимися в гавань после шторма. Диагор возражает: «Так-то оно так, только здесь нет изображений тех, чьи корабли буря потопила, и они сами погибли в море».

«Парадокс выжившего» – это тип смещения выборки, при котором человек для принятия решения опирается только на примеры тех, кто добился успеха, так называемых «выживших», но не учитывает статистику по «погибшим». В выборку не попадают данные по тем, кто не смог добиться того же результата. Они либо совсем отсутствуют, как в случае с дельфинами, либо просто не привлекают внимания, как во вдохновляющих историях успеха. Рассказы о людях, которые бросили школу и ничего не добились в жизни, мотивируют мало и никому не интересны, поэтому их никто не публикует.

Возвращаясь к дельфинам, справедливости ради отметим, что случаи со спасением тонущих людей невероятно трогательны. Биологи утверждают, что живущие в больших семьях дельфины заботятся друг о друге и инстинктивно подталкивают «соплеменников» к поверхности воды, если замечают у тех проблемы с дыханием. Возможно, когда дельфины видят барахтающегося в море человека, у них срабатывает инстинкт – они принимают его за своего и помогают подняться на поверхность. Тем не менее, не стоит сбрасывать со счетов и любовь дельфинов к играм. Известны случаи, когда они затевали далеко небезобидные шалости с пловцами и дайверами, поэтому чересчур романтизировать дельфинов не стоит.

Джеймс Грей. npg.org.uk

Парадокс Грея

Это еще один парадокс, который имеет отношение к дельфинам. В течение многих лет он держал в тонусе лучшие умы в области физики, биологии и даже военного судостроения. Еще в 1936 году британский зоолог Джеймс Грей (James Gray) произвел расчеты, согласно которым дельфин в принципе не может плавать со скоростью, которую регулярно демонстрирует, преследуя корабли.

В своих опытах Грей сравнивал живого дельфина из плоти и крови с его жесткой гидродинамической моделью, и у него выходило, что для преодоления силы сопротивления, которая действует на модель дельфина (с той же массой и формой), мышцы животных должны развивать в семь раз большую силу, чем мышцы известных науке наземных млекопитающих, включая людей. Утверждение казалось невероятным и было названо «парадоксом Грея».

Грей предположил существование какого-то особого, неизвестного науке механизма снижения гидродинамического сопротивления дельфина по сравнению с другими объектами, двигающимися в воде при аналогичных условиях. Начались поиски разгадки, причем велись они сразу в двух направлениях. Зоологи пытались обнаружить тот самый неизвестный механизм, позволяющий дельфину плавать столь эффективно, а физики ставили под сомнение существование самого парадокса, максимально уточняя измерения, на основе которых Грей выстроил свои расчеты.

Макс Крамер si.edu

Опыты американского гидродинамика Макса Крамера в 1958–1960 годах показали, что сопротивление воды, испытываемое дельфином при движении, в 10 раз меньше, чем у модели того же размера и формы. Оказалось, что гладкая и невероятно упругая дельфинья кожа по-настоящему «заточена» под минимизацию сопротивления: она заставляет воду скользить по поверхности прямо, без повышающих сопротивление завихрений. Крамер, сумевший наблюдать работу кожи дельфина в действии, был восхищен: там, где обтекавшая тело вода должна была образовывать вихри, кожа прогибалась внутрь и «вбирала» в образовавшееся углубление потенциально опасный (в смысле турбулентности) участок водной среды, не позволяя сопротивлению увеличиваться.

В итоге Крамер создал своего рода «бомбу» – имитирующее кожу дельфина трехслойное покрытие «ламинфло» на основе резины и кремнийорганической жидкости. Одетая в него торпеда продемонстрировала 60-процентное снижение сопротивления воды. И все же превзойти природу ученому не удалось, поскольку дельфины не только обладают особым строением кожи, но и активно ею управляют. Рецепторы ощущают возрастающее сопротивление воды и подают сигнал в мозг, откуда немедленно следует двигательная реакция кожной мускулатуры, которая оперативно ликвидирует появление водных завихрений.


В итоге с преодолением сопротивления воды дело прояснилось, однако для объяснения парадокса Грея выигрыш дельфина в гидродинамическом сопротивлении был слишком незначительным. Физики продолжили поиски разгадки, максимально уточняя другие значения основных параметров движущегося в воде объекта: скорости движения и затрачиваемой мощности.

Скорость дельфина, которую брал в расчет Грей, фиксировалась им во время наблюдений в открытом море. Дельфин «шел» со скоростью судна, составляющей 10,3 м/с. Ученые поставили данные Грея под сомнение и тщательно измерили скорость дельфина в 100-метровом бассейне, на открытой воде и в погоне за буксируемой приманкой. Последний опыт оказался самым результативным. Афалины в итоге показали скорость 10–11 м/с, а пелагические дельфины сумели выдать даже 11,06 м/с. Средние значения скорости при этом составляли 5–6 м/с.

Кроме того, опыты показали, что дельфин изменяет свою скорость не плавно, а рывками, а при движении на склонах волн и в поле давлений идущего судна – перед его носом – способны «кататься» – двигаться со скоростью распространения носовой волны, не затрачивая собственной мощности, что и создает иллюзию «обгона» корабля.

Сложнее было с определением мощности дельфина, поскольку таких измерений ранее не проводилось. Простейшие принятые в судостроении формулы показывали, что для скоростей 10–11 м/с дельфину необходима мощность 2,8–3,6 л. с. Оставалось подтвердить, способен ли дельфин ее выдать.

A94jod55_wcowal_uk.pngВыпрыгивая из воды, дельфины увлекают за собой минимум брызг благодаря уникальной гидродинамической форме. barque.ru

Вполне удовлетворительными можно считать и результаты, полученные с помощью метода расчета мощности животного по количеству расходуемого при дыхании кислорода: при движении в течение 15 секунд со средней скоростью 6 м/с средняя мощность дельфина составляла 2,4–3,5 л. с.

Спортивный метод также не оставил парадоксу Грея никаких шансов. Предположение о том, что 1 кг мышц любого млекопитающего за единицу времени способен произвести одинаковую работу, позволил подсчитать, что в течение 1 секунды дельфин может развить мощность 21,6 л. с. (!), в течение 6 секунд – 7,2 л. с., в течение 1 минуты – 3,6 л. с., в течение суток – 0,72 л. с.

Метод подсчета мощности дельфина «в прыжке» также не обнаружил никакого парадокса: животное массой 180 кг, разгоняясь за 0,7 с, выпрыгивало из воды на 1,84 м, что соответствовало мощности 6,3 л. с.

Точку в разгроме парадокса Грея поставил эксперимент, позволивший измерить силу дельфиньего хвоста. Видеокамера фиксировала движения дельфина, плывущего в бассейне сквозь шлейф мельчайших пузырьков воздуха. Данные о скорости и направлении движения пузырьков позволили рассчитать мощность хвоста дельфина в движении… Здесь-то и выяснилось, что дельфин в среднем в 10 раз мощнее, чем предполагал Грей. Получается, что авторы популярного мультфильма были правы: «Главное – хвост!» И никаких парадоксов.



Наука

Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

OK OK OK OK OK OK OK