А. А. Леонович
Увлекательная бионика
Что важнее: скорость или сила?
А кто из ныне обитающих на Земле четвероногих самый быстрый? Это, без сомнения, гепард – дикая кошка, способная достигать скорости 100 километров в час. Необыкновенно изящен его бег: гепард словно вытягивается в стрелу, стремительно несущуюся над землей.
Исследователей давно интересовал вопрос о том, как удаются животным столь быстрые движения. Совсем недавно благодаря раскопкам обнаружены следы динозавров, оставленные ими во время охоты. Расчеты показали, что даже самые быстрые из них вряд ли превосходили в скорости скаковую лошадь, а наиболее крупные бегали примерно так же «резво», как и современные носороги. (Это, кстати, не так уж и мало: носорог может догнать быстро бегущего человека.)
Тем не менее впечатление о неуклюжести и малоподвижности крупных животных подтверждается простыми вычислениями. Если бы все размеры животного увеличились, скажем, в пять раз, то его масса возросла бы в 125 раз. Для того чтобы удержать такую махину, кости должны были бы увеличиться непропорционально, то есть их толщина изменилась бы не в пять, а примерно в 11 раз.
На это обратил внимание еще знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей: «Достигнуть чрезвычайной величины животные могли бы только в том случае, если бы кости их изменились, существенно увеличившись в толщину, отчего животные по строению и виду производили бы впечатление чрезвычайной толщины».
Итак, ясное представление о действии законов механики позволило понять, почему наземные животные не достигают «великанских» размеров. Из-за своей неповоротливости они оказались бы нежизнеспособными. Подсчеты современных ученых говорят, что животное массой больше ста тонн не может существовать в условиях земной гравитации. И впрямь, сегодня мы видим, что самым крупным сухопутным животным оказывается не такой уж огромный слон.
Галилео Галилей (1564–1642) – итальянский ученый, один из основателей точного естествознания. Заложил принципы механики, провел исследования движения тел животных. Утверждал, что в основе науки – опыт и практика, считал, что «человеческий разум познает некоторые истины столь совершенно и с такой абсолютной достоверностью, какую имеет сама природа».
А как же кит, масса которого во много раз превышает массу слона? Дело в том, что на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая (архимедова) сила. То есть вода как бы ослабляет действие земной гравитации, позволяя киту и другим обитателям морей и океанов достигать огромных габаритов при относительно тонких костях скелета.
Правда, подвижность и большие скорости движения связаны не только с размерами животных, но и со способом крепления их мышц к костям. Еще в XVII веке естествоиспытатели разобрались в кажущейся неэффективности их соединения. На рисунке той поры можно увидеть, что сокращение двуглавой мышцы плеча приводит к усилиям, многократно превышающим вес поднимаемого груза.
Но природа позаботилась о другом: проигрывая в силе, мы, как и другие животные, выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут быстро сокращаться, однако их небольшое перемещение вызывает заметное передвижение всей конечности. Подумайте, что важнее: развивать большую скорость, обладать подвижностью, свободой перемещений или всему этому предпочесть одну неповоротливую силу? Природа сделала свой выбор, и человек следует ему при создании быстроходных механизмов.
Изобрела ли природа колесо?
Долгое время считалось, что природа обошла своим вниманием это чудо – изобретение, не испытывая в нем необходимости. И лишь человек, обнаружив преимущества перемещения с помощью колеса, освоил его настолько, что трудно представить себе сегодня какой-либо механизм, где бы оно не применялось.
Кое-кто из ученых связывал отсутствие природных аналогов колеса с тем, что не было подходящих дорог. Ведь пробираться даже по узким улочкам древних городов, а тем более по каменистым неровным тропам на четырех ногах было проще, чем на любом колесном средстве передвижения.
Но есть и другая точка зрения. Что, например, представляет собой гонимое ветром растение перекати-поле? Колесо, хоть и довольно сложное. Сторонники такого взгляда даже утверждают, что на других планетах, где могла бы зародиться жизнь, конструкция в виде колеса вполне могла быть создана в ходе эволюции.
Правда, эти споры касаются только организмов, видимых невооруженным глазом. А вот когда человек смог заглянуть вглубь живой материи, выяснилось, что идея колеса отнюдь не чужда природе. Да еще какого колеса – мотора!
С помощью специального микроскопа удается разглядеть, как устроены жгутики некоторых бактерий, к примеру, кишечной палочки, помогающие им передвигаться. Один из концов жгутика словно бы вставлен в мембрану – оболочку бактерии. Электрические заряды колец, расположенных на конце жгутика и на мембране, взаимодействуют друг с другом так, что жгутик начинает вращаться вокруг своей продольной оси, напоминая обычный электромотор.
Кручение жгутика обеспечивает несколько типов его движений, причем скорость вращения «моторчика» достигает десятков оборотов в секунду.
Конечно, такое открытие и само по себе было чрезвычайно интересным. Но исследователи не остановились на этом, провозгласив: «Ну вот, и природа тоже изобрела колесо!» Цель их дальнейших кропотливых разработок – создание двигателей микромашин, способных, например, доставлять лекарства точно по назначению, то есть к нуждающимся в них органам и тканям.
Конструкторы этих невидимых миниатюрных устройств уверены, что надежды, двигавшие создателями фильма «Внутренний космос», в котором по кровеносным сосудам человека сновали подобные машинки, близки к осуществлению.
Для чего рыбе хвост?
«Моторчик», помогающий бактериям передвигаться в жидкости, вряд ли подошел бы более крупным организмам. Вот, скажем, рыбы – при всем их разнообразии у большинства имеются хвост и плавники, которые и приводят рыб в движение.
Но как по-разному это происходит! Да и почему, собственно, плавники и хвост должны служить двигателями? Какие именно движения ими должна совершать рыба? Есть свидетельство того, что эти вопросы интересовали жителей Древней Индии около двух с половиной тысяч лет назад. Пытались объяснить способы передвижения рыб и древние греки, например, Аристотель. Но вплоть до конца XIX века многое в этой проблеме продолжало оставаться загадкой.
Лишь появление киносъемки позволило внимательно, по кадрикам, разглядеть, что же конкретно происходит во время плавания рыбы.
Изгибая туловище, рыба возвращает его затем в прежнее положение, отталкиваясь от воды таким образом, что создается сила, действующая на нее одновременно вбок и вперед. Боковую силу рыба компенсирует попеременным движением влево-вправо, сохраняя при каждом «вилянии» направленную вперед силу.
Но это лишь общая картина. Взгляните на рисунок. Хотя на нем представлена лишь небольшая часть великого множества рыб, видно, насколько различны их формы. Связано это с тем, что внешний вид конкретной рыбы зависит от ее образа жизни. Длинное туловище щуки, состоящее примерно на шестьдесят процентов из мышечной ткани, и сильный хвост дают ей возможность делать резкие броски, заставая добычу врасплох.
Тунец, изображенный на другом краю диаграммы – великолепный представитель рыб, совершающих так называемое крейсерское плавание. В поисках добычи ему приходится преодолевать огромные расстояния, поэтому у тунца обтекаемая форма, создающая небольшое сопротивление, жесткое тело и узкий хвостовой плавник, обеспечивающий сильную тягу.
А вот легко маневрирующей рыбе-бабочке для того, чтобы сновать между расщелинами рифов, не обязательно развивать большую скорость и делать броски. Поэтому у нее округлое тело и мягкие плавники, приспособленные для движения на малых скоростях.
Такая «специализация» рыб подсказывает форму подводного судна в зависимости от его предназначения. Существуют проекты кораблей с изгибающимся корпусом, проведены испытания машущих двигателей, превосходящих по тяге обычные. Но пройдет, наверное, еще немало времени, прежде чем мы увидим в портах корабли, перенявшие способы перемещения рыб.
Почему плавает кальмар?
Проектируя подводные корабли и автоматы, конструкторы, естественно, изучали способы передвижения обитателей морских глубин. Но, к сожалению, создать транспортное средство, которое воспроизводит все движения, совершаемые, например, рыбами, пока невозможно. Обеспечить гибкие движения прочного жесткого корпуса, выдерживающего огромное давление воды, весьма непросто. Поэтому двигателем подводных лодок и батискафов еще остается, как и у надводных кораблей, гребной винт.
Однако «оперение» корабля может включать в себя приспособления, похожие на плавники рыб. Они позволяют стабилизировать движение судна, например подводного, а также изменять направление его движения в горизонтальной и в вертикальной плоскостях.
Для того чтобы производить какие-либо работы под водой на большой глубине, оператору, находящемуся внутри подводного аппарата, необходимы вынесенные наружу «руки» (манипуляторы). Их создание – довольно хитрая задача, кстати, давно решенная природой. Аналогом таких манипуляторов обладает кальмар, имеющий два длинных щупальца с присосками, с помощью которых он охотится за рыбой.
Гигантские кальмары, обитающие в глубине океана, долгие годы были мало известны, лишь время от времени с приходящих в порты кораблей поступали сообщения о замеченных в океане морских чудовищах. Прошло немногим более ста лет с тех пор, как впервые удалось обнаружить это животное, и все равно оно оставалось полумифическим существом. В первую очередь поражали размеры кальмаров: длина со щупальцами – до 20 метров, а масса – до 450 килограммов. Даже сейчас, когда изучено немало их экземпляров, многое в них остается удивительным.
Рассмотрим, например, как осуществляется реактивный принцип движения кальмара в воде. На рисунке можно увидеть небольшую воронку вблизи его глаза, служащую для выбрасывания воды. Она может поворачиваться, поэтому кальмар свободен в выборе направления движения. Но как происходит всасывание кальмаром воды?
Оказывается, во время движения давление обтекающей туловище кальмара воды меняется таким образом, что в области, отделяющей голову от туловища, где и происходит всасывание, оно ниже, чем у хвоста. И вода как бы сама втягивается внутрь.
Создать такой непростой «механизм» для мягкотелого, не обладающего жестким скелетом животного – сложная проблема, с которой природа справилась задолго до открытия законов гидродинамики. И она наверняка предложит нам возможные технические решения других задач, возникающих при конструировании подводных машин.
Как снизить сопротивление воды?
Конечно, для быстрого движения в жидкой или газообразной среде важны подходящая – обтекаемая – форма тела и «двигатель», обеспечивающий достаточную силу тяги. Но как уменьшить сопротивление воды, возникающее из-за трения тела о близлежащие слои жидкости или газа?
Решая эту задачу, ученые обратили внимание на рыбью чешую. Может быть, в форме чешуек скрывается разгадка того, как рыбам удается преодолевать сопротивление движению?
Действительно, при обтекании водой этих небольших выступов из-за крохотных перепадов давления спереди и сзади них возникает как бы проталкивание назад приповерхностного слоя. Той же цели служат и жабры, которые, как выяснилось, нужны не только для дыхания под водой. Выталкиваемая ими вода дополнительно смещает назад близлежащий к коже рыбы слой жидкости. Все это способствует улучшению обтекания и уменьшению сопротивления.
Не менее интересен и слой слизи, покрывающий рыбу. Попробуйте удержать ее в руках сразу после того, как выловили. Недаром говорят: «скользкий, как рыба»! Выяснилось, что этот слой представляет собой полимерное соединение, способное как бы разжижать воду.
Когда попытались оснастить подобной «чешуей» со смазкой корпуса судов, выяснилось, что повысить таким образом их скорость возможно, но установки для этого слишком дороги и сложны, а выделяемые в воду искусственные вещества зачастую опасны.
Тем не менее это техническое решение нашло применение при эксплуатации водопроводных труб. Добавка специального, на этот раз, конечно, безвредного вещества увеличила их пропускную способность более чем на треть. Не преминули воспользоваться изобретением природы и пожарники. Ничтожное количество полимерной добавки уменьшает вязкость воды, позволяя подать ее брандспойтом на большую высоту.
Внимательное изучение очертаний не только тел самих рыб, морских животных и птиц, но и их плавников и крыльев позволило обнаружить, что бо́льшую силу тяги или подъемную силу обеспечивают отогнутые назад – серповидные – формы. Затем это подтвердили измерения в аэродинамической трубе. Поэтому, например, использование киля серповидной формы буквально приподняло яхту во время движения и настолько уменьшило сопротивление воды, что позволило выиграть престижные гонки.
Но здесь мы переходим от движения внутри жидкости к перемещению на границе двух сред – воды и воздуха.
В чем секрет кожи дельфина?
Очень эффектно выглядят кадры документальных съемок прыжков морских животных. Разогнавшись в воде до большой скорости, они стремительно выскакивают в воздух, совершая порой при этом акробатические пируэты.
Однако в каких-то случаях эти прыжки необходимы морским животным, так сказать, для чисто практических целей. Небольшие киты и дельфины прибегают к такому способу передвижения, когда им нужно преодолеть большие расстояния. Вряд ли в течение продолжительного времени животные тратили бы свои силы на эти прыжки ради забавы. Дело в другом: попеременное вынесение туловища из более плотной водной среды в менее плотную воздушную приводит в результате к уменьшению общего сопротивления движению.
Этот способ перемещения, названный дельфинированием, эффективен лишь для сравнительно небольших животных. Для крупных (например, кашалотов) энергия, затрачиваемая на прыжок, слишком велика. Поэтому они предпочитают при дальних странствиях подводный способ плавания.
Уже давно известно, что дельфины, двигаясь под водой, экономят силы. Исследователи связывали это с особым устройством дельфиньей кожи. Сколько сил было потрачено на ее изучение! Одно время считалось, что при движении по коже дельфина пробегают волны складок, как бы подстраивая форму тела для сброса завихрений, возникающих в обтекающем его потоке воды. Были даже поставлены опыты по моделированию таких волнообразных движений на поверхности испытательных судов, и вроде бы все подтвердилось.
Впрочем, в последующих экспериментах, когда в воде буксировали пловчих, облаченных в костюмы из имитирующего дельфинью кожу материала, результаты оказались иными. Возникающие складки, напротив, увеличивали сопротивление движению.
По-видимому, секрет кроется в особой системе кровеносных сосудов, находящихся под кожей дельфина. Эта упругая система позволяет коже самонастраиваться, менять форму тела и гасить возникающие завихрения воды, благодаря чему она плавно обтекает дельфина.
В общем, вопросов здесь хватает. Тем не менее, внимание к строению кожи морских обитателей не ослабевает. Уже в девяностые годы прошлого века были проведены успешные испытания по применению материала, подобного акульей коже… в качестве обшивки крыльев самолетов. В этом случае уже сопротивление воздуха, а не воды, удалось уменьшить за счет микроскопических гребешков и канавок на поверхности прикрепляемой к крылу ленты. Ее шероховатость, как и в случае с рыбьей чешуей, не препятствовала, а помогала движению.
