Kawitacja - tajemnicza broń w świecie zwierząt

Portugalski poeta i prozaik Fernando Pessoa powiedział „Człowiek nie wie więcej niż inne zwierzęta; wie mniej. One wiedzą, co powinny wiedzieć. My nie.”.  W wielu pracach naukowych na przełomie wieków udowodniono, że zwierzę są tak inteligentne, że potrafią na swoje potrzeby wykorzystywać uwarunkowania środowiska, w którym żyją, ale również wykorzystywać prawa fizyki, aby wyewoluować. Nie myślmy jednak, że pojmują je w taki sam sposób jak my. One nie znają wzorów ani definicji, ale często wykorzystują je po porostu, aby przetrwać.  

Jednym ze zjawisk, które pojawia się w naszym codziennym życiu, a jest wykorzystywane przez zwierzęta, jest kawitacja. Jest to niezwykłe zjawisko fizyczne, które często kojarzone jest z problemami wytrzymałościowymi w inżynierii hydraulicznej. Polega ono na gwałtownym powstawaniu i implozji pęcherzyków gazowych w cieczy na skutek zmian ciśnienia.

Jednym z najbardziej fascynujących przykładów wykorzystania kawitacji przez zwierzęta jest mechanizm obronny i łowiecki krewetki królewskiej. Krewetki te posiadają specjalnie przystosowane szczypce, które potrafią generować fale uderzeniowe w wodzie. Gdy krewetka zamyka swoje szczypce z ogromną prędkością, w wodzie dochodzi do nagłego spadku ciśnienia, co prowadzi do powstania pęcherzyków kawitacyjnych. Gdy pęcherzyki te gwałtownie implodują, generują ogromną ilość energii w postaci ciepła, fal dźwiękowych i mechanicznych. Każda z własności tego procesu pozwala krewetce inaczej obronić się przed napastnikiem i polować na potencjalne ofiary.  Implozja pęcherzyków kawitacyjnych generuje fale uderzeniowe o sile zdolnej ogłuszyć, a nawet zabić ofiarę krewetki. U niektórych gatunków, siła ta porównywana jest do wystrzału z broni palnej, dlatego też krewetki królewskie często nazywane są krewetkami pistoletowymi. Towarzyszące kawitacji efekty optyczne i akustyczne mogą być wykorzystywane do dezorientacji drapieżników lub komunikacji między osobnikami.  

W świecie krewetek nie tylko krewetka królewska wykorzystuje zjawisko kawitacji. Innym gatunkiem krewetki jest rawka błazen, znana również jako krewetka boksująca. Wyposażona w potężne, młotkowate odnóża, jest w stanie uderzać z prędkością przekraczającą 80 km/h, generując przy tym efekt kawitacyjny. Siła uderzenia rawki jest tak potężna, że może rozbić pancerz kraba lub skorupę mięczaka. Dodatkowo, podczas tego procesu uwalniana jest energia termiczna, a niektóre badania sugerują, że na krótką chwilę temperatura osiąga kilka tysięcy stopni Celsjusza.

I choć krewetki są wspaniałym przykładem wykorzystania kawitacji, nie są one jedyne w świecie zwierząt. Inne zwierzęta również stosują ją w różnorodnych strategiach przetrwania. 

Delfiny, zwłaszcza orki i delfiny butlonose, stosują kawitację podczas polowania, a nie obrony. Tworzą one strumienie powietrza i bąbelki, które mogą ogłuszać ofiary lub dezorientować je, ułatwiając schwytanie. Badania i obserwacje wykazały, że niektóre gatunki delfinów potrafią generować pęcherzyki kawitacyjne przy szybkim ruchu ogona, co zwiększa skuteczność ataku na ławice ryb. Podobną strategię wykorzystają również wieloryby, zwłaszcza humbaki.

W swoim codziennym życiu niektóre gatunki rekinów, jak np. żarłacze białe, osiągają bardzo duże prędkości, co może prowadzić do kawitacji na powierzchni ich skóry. Ich specjalna struktura skóry, składająca się z mikroskopijnych łusek zwanych dermodentykami, minimalizuje efekty negatywnej kawitacji, pozwalając im pływać szybciej i bardziej efektywnie. Pozwala to nie tylko skutecznie polować, ale również przemieszczać się na duże odległości w krótszym czasie. Zjawisko kawitacji dodaje również szybkości rybom o torpedowatym kształcie ciała, takim jak tuńczyki i makrele. Ich ciała są przystosowane do szybkiego przemieszczania się w wodzie z minimalnym oporem, a kawitacja pomaga w redukcji tarcia.

Kałamarnice są znane ze swojej zdolności do niezwykle szybkiego poruszania się w wodzie dzięki wykorzystaniu zasady odrzutu. Gdy nagle wyrzucają wodę przez lejek, mogą osiągać wysokie prędkości, a w pewnych warunkach prowadzi to do wystąpienia kawitacji, co dodatkowo zwiększa efektywność ich ruchu, zarówno podczas polowania, jak i ucieczki.

Ale czy tylko zwierzęta żyjące na stałe w wodzie i przystosowane do życia w niej, mają możliwości korzystać z zalet tego zjawiska? Niekoniecznie, chociaż to woda jest środowiskiem, w którym ten proces zachodzi.  Istnieją bowiem doniesienia o jej możliwym występowaniu u niektórych gatunków gadów i płazów. Niektóre żółwie morskie, takie jak żółw skórzasty, mogą generować mikro-kawitację podczas szybkich ruchów płetwami, co pomaga im w pływaniu na długie dystanse. Podobnie jest z wybranymi gatunki salamander wodnych. Stosują one szybkie uderzenia ogonem, generując niewielkie pęcherzyki kawitacyjne, które mogą zwiększać ich zdolność do ucieczki przed drapieżnikami.  Nawet takie zwierzęta jak aligatory i krokodyle mogą nieświadomie wykorzystywać kawitację. Podczas gwałtownych ruchów w wodzie, kawitacja przyczynia się do powstawania turbulencji, które dezorientują ich ofiary. Szczególnie młode osobniki polując mogą korzystać z dynamicznych przepływów wodnych i kawitacji w trakcie ataku na zdobycz. 


Widać zatem, że przyroda potrafi znaleźć innowacyjne sposoby na przetrwanie i rozwój. Zdolność do wykorzystywania kawitacji dała krewetkom pistoletowym przewagę w polowaniu i obronie, czyniąc je jednymi z najbardziej efektywnych łowców wśród skorupiaków. Inne zwierzęta, takie jak delfiny, wieloryby czy rekiny, wykorzystują to zjawisko do zwiększenia skuteczności swoich strategii przetrwania. Naukowcy badający kawitację, na bazie podglądania świata zwierząt, mogą opracować nowe technologie inspirowane naturą, np. ulepszać napędy wodne, metody cięcia wodą oraz materiały odporne na kawitację. 

Bibliografia.

1. Versluis, M., et al. (2000). How snapping shrimp snap: Through cavitation bubbles. Science, 289(5487), 2114-2117. 
2. Lohse, D., & Schmitz, B. (2001). Cavitation bubble dynamics. Physics Today, 54(2), 34-40. 
3. Williams, T. M. et al. (1999). The high-speed swimming performance of marine mammals. Journal of Experimental Biology, 202(9), 1257-1265. 
4. Patek, S. N., & Caldwell, R. L. (2005). Extreme impact and cavitation forces of a biological hammer: Mantis shrimp strikes. Nature, 435(7045), 1098-1101