А. А. Леонович
Увлекательная бионика
Кто и плавает, и летает?
Движение на границе двух сред преподносит порой удивительные сюрпризы. К примеру, совершенно уникальным способом перемещается по водной глади василиск – длиннохвостая ящерица, обитающая в озерах Центральной Америки. Она просто ходит или бегает по воде, причем порой с приличной скоростью – до двух метров в секунду.
Раскрыть тайну этих водных «пешеходов» удалось при помощи видеоаппаратуры. Когда внимательно просмотрели записи, стало ясно, почему возможно столь необычное движение. Оказалось, что василиск сперва сильно шлепает по воде лапкой, затем резко погружает ее в воду, при этом за движущейся лапкой возникает воздушный пузырек. Потом ящерица вытягивает лапку к поверхности через этот пузырек, да так стремительно, что он не успевает наполниться водой. Чем сильнее и быстрее производятся шлепки, тем больше разница давлений, действующих на лапку со стороны воды и воздушного пузырька, а значит – и сила, удерживающая василисков на поверхности.
Но этот способ передвижения нельзя отнести ни к плаванию, ни к полетам над водой. А ведь в природе есть существа, известные «талантом» двигаться поочередно в обеих средах. Это летучие рыбы. Спасаясь от хищников, летучая рыба с большой скоростью поднимается к поверхности воды. В это время она плывет – ее грудные плавники прижаты к телу, а хвост энергично работает. Резко выскочив из воды, рыба раскрывает грудные плавники, превращающиеся в крылья. Подхваченная воздушными потоками, она, как выпущенная из лука стрела, пролетает порой 150–200 метров.
Возможно, эта «манера» передвижения выглядит экзотической. Но и многое другое, подсказанное природой, сначала казалось людям неприемлемым из-за своей необычности. И все же, чутко прислушиваясь к природе, человек в конце концов находил эффективные решения, основанные на природных аналогах. Приведем лишь один пример.
Считалось, что на водном велосипеде не угнаться за спортивной лодкой. Однако благодаря умелому сочетанию движений в воде и в воздухе и использованию подводных крыльев с заимствованной у животных формой, не так давно удалось на водном велосипеде пройти дистанцию быстрее, чем при установлении мирового рекорда в академической гребле!
Как планируют драконы?
Как ни занимательны и эффектны прыжки дельфинов из воды и полеты летучих рыб, все же основным местом обитания и тех, и других остаются моря и океаны. Правда, и предки всех пернатых, как полагают ученые, вели водный образ жизни. Потребовалось длительное время, чтобы морские ящеры постепенно приспособились к жизни на земле, а затем какие-то из них научились летать.
Кстати, даже в XX столетии многие исследователи не принимали эту теорию. Действительно, нелегко было согласиться с тем, что перо археоптерикса – рептилии, жившей 150 миллионов лет назад, – практически нельзя отличить от перьев современных птиц. А под микроскопом заметно сходство даже мельчайших деталей их строения.
Несмотря на это, способность археоптерикса к полету была развита довольно слабо. Остается загадкой, зачем мелким динозаврам вообще нужны были перья, образовавшиеся из расщепившихся чешуек. Но как бы то ни было, эти существа, пользуясь когтями на концах крыльев и ног, взбирались на деревья, а оттуда могли опускаться на землю при помощи крыльев. Скорее всего, это напоминало спуск на парашюте, а затем – несколько более сложный вид движения – планирование. Иными словами, это были пассивные способы перемещения в воздушной среде.
Природа дает возможность наблюдать за такого рода полетами и сегодня. В Восточной Индии обитает летучий дракон – небольшая ярко окрашенная ящерица. По бокам у нее расположено несколько так называемых ложных ребер, между которыми имеются кожистые складки. В покое ребра прижаты к телу и ящерица ничем не отличается от своих бескрылых соплеменниц.
Однако при прыжке летающего дракона с дерева, к примеру, за бабочкой, его ребра-крылья расправляются так же, как натягивается ткань раскрывающегося зонтика стальными спицами. Теперь дракон может превосходно планировать. Добавим, что в теле этой ящерицы имеются полости, наполняемые во время прыжка воздухом, а длинный хвост служит рулем.
А теперь попробуйте представить, как расправляют свои крылья летучие мыши, белки-летяги, как некоторые лягушки во время прыжков раздвигают пальцы лапок с кожными перепонками. Все это – живые аналоги парашютов и дельтапланов.
Но оказывается, существуют еще и «летающие»… змеи! Они были обнаружены на одном из архипелагов у побережья Австралии. Забравшись на двадцатиметровую пальму, змеи бросаются оттуда в горячий песок. Вот и верь теперь словам «Рожденный ползать – летать не может!»
Может ли человек летать?
В конце предыдущего рассказа мы чуть-чуть слукавили, поставив в один ряд столь разных «летунов». Дело в том, что ни белка, ни лягушка, ни тем более змея не обладают способностью к полету с помощью взмахов своих перепонок, а летучая мышь наделена ею. Это принципиальное различие. Ведь просто планировать может, скажем, листок с дерева, а «парашютировать» – семя одуванчика. Управлять спуском уже намного сложнее, для этого надо «рулить» или «ловить» восходящие воздушные потоки. Вершина же искусства полета – умение создавать самостоятельную тягу, обеспечивающую и выбор направления движения, и его продолжительность.
Миллионы лет эволюции привели к созданию не только перепонок, но и настоящих крыльев. Причем у их владельцев – птиц – полету способствуют и легкие пустотелые кости, и специальные воздушные мешки для облегчения веса, и форма скелета, и перья, создающие при взмахах тягу и управляющие маневрами.
Владимир Евграфович Татлин (1885–1953) – российский изобретатель и художник. Работал над конструкцией орнитоптеров – летательных аппаратов с машущими крыльями, имитирующими движения птицы. Создал с учениками «Летатлин» – махолет с размахом крыльев 8 метров, в который вложил свою мечту о человеке-птице.
Нужно ли удивляться тому, что полет птиц вызывал нестерпимую зависть у человека? Возможность парить, перелетать с места на место, наслаждаться ощущением воли и простора…
Не счесть попыток создать орнитоптеры-махолеты по образу и подобию птиц, а порой и летучих мышей. Сохранились рисунки Леонардо да Винчи с изображением перепончатых крыльев, взятых за образец для махолета, известны легенды о попытках взлететь или хотя бы спланировать с помощью укрепленных на руках крыльев.
В большинстве случаев удача не улыбалась испытателям, такие полеты часто оканчивались трагически. В конце XIX века немецкий инженер Отто Лилиенталь научился держаться в воздухе непродолжительное время на парусном летательном аппарате. Но до машущего полета было еще далеко, а сам Лилиенталь погиб во время одной из очередных попыток взлететь…
Вскоре начались испытания первых самолетов – транспортных средств, оснащенных неподвижными крыльями и мотором, способных держаться в воздухе без мускульной силы человека. Вроде бы махолеты были теперь ни к чему.
Но вот парадокс: если рассчитать, сколько груза на единицу затрачиваемой энергии можно поднять при машущем полете и с помощью современного самолета, выиграет махолет. Это человеку не суждено вознести самого себя в воздух с помощью крыльев. А машине? Овладение машущим полетом принесло бы ощутимую пользу воздушным перевозкам. Поэтому попытки технически воплотить выверенное природой изобретение не прекращались и после создания самолетов.
Не прекращаются они и сегодня…
Что помогает насекомым порхать?
«Самым лучшим подарком были прозрачные крылышки, совсем как у стрекозы. Их привязали Дюймовочке на спину, и она тоже могла теперь летать с цветка на цветок». Помните эту сказку Андерсена?
Николай Егорович Жуковский (1847–1921) – российский ученый, основоположник современной гидро- и аэромеханики. Стремился за внешним несходством животных и машин увидеть общие принципы их движения. Блестяще решил сложные проблемы полета в работе «О парении птиц». Дал образец теоретического подхода к изучению биологических систем.
Большое внимание ученых, в том числе биомехаников, издавна привлекали полеты насекомых. Эти существа могут летать в любом направлении, делать резкие повороты и зависать на месте, совершать маневры, недоступные самым современным реактивным самолетам. А вертолет? – скажете вы. Но разве возможно на вертолете порхать, делать столь же точные подлеты, как бабочки – к цветкам, и садиться на абсолютно неблагоустроенных площадках?
Выдвигающиеся крылья кузнечиков и жуков, грузоподъемность пчел и шмелей, виражи стрекоз – все поражало, но оставалось непонятным. Самым обидным было то, что с помощью обычной аэродинамики – науки, применяемой при расчетах движения самолетов и вертолетов, – понять, как насекомым удается летать, оказалось невозможно. Например, даже тщательный анализ не мог объяснить их высокую подъемную силу. А не разобравшись в этом, нельзя ничего позаимствовать.
Однако в последнее время в изучении движения этих крылатых существ наметились сдвиги. Исследователи с помощью аэродинамической трубы наблюдали за полетом крупной моли. Размах ее крылышек достигает 10 сантиметров, а частота взмахов – 26 раз в секунду. В опытах с помощью струек дыма удалось обнаружить крошечные воздушные вихри, которые вились по крыльям моли, как маленькие смерчи.
Оставалось неясным, почему возникают такие спиральные потоки. Чтобы изучить процесс в деталях, нужно было найти еще более крупное насекомое. Но где взять подобных «великанов»? Пришлось создать механическую «моль»!
Ученые воспользовались тем известным из аэродинамики фактом, что быстрый поток воздуха над маленьким объектом можно имитировать медленным потоком – над большим объектом. И вот появилась рукотворная «моль», превосходящая размерами обычную в 10 раз и намного реже хлопающая крыльями (ее изображение – на рисунке слева). Модель обошлась ни много ни мало в 60 тысяч (!) долларов. Почему так дорого? Следовало учесть, что крылья насекомых, а также птиц и летучих мышей представляют собой не жесткие, как у самолетов, а гибкие конструкции (это прекрасно видно на правой части рисунка). Во время движения они способны изменять форму, изгибаться – и в этом, как предполагали исследователи, могла крыться тайна возникновения подъемной силы. Представьте, сколько «умной» электроники пришлось «запихнуть» в модель ради такой имитации!
И вот как только крылья механической моли начинали опускаться, у их передней кромки возникали те самые крохотные вихри. Они, не отрываясь, постепенно смещались вдоль поверхности крыльев. Этими воздушными водоворотами и объяснялась высокая подъемная сила крыльев насекомого.
Но это лишь начало подробного исследования полета насекомых. Необходимо продолжить эксперименты, в том числе и компьютерное моделирование. К этим работам внимательно приглядываются военные: они с удовольствием использовали бы в качестве драконов крохотных роботов-насекомых для наблюдения за противником с воздуха.
Известно, сколько в свое время бились инженеры над проблемой загадочных вибраций крыльев самолетов, часто приводивших к авариям. А когда проблема была решена, обнаружилось, что уже миллионы лет подобные вибрации устраняются у стрекоз с помощью специального утолщения в крыле. Так, уже не в первый раз, прозевали подсказку природы. Очень не хотелось бы снова попасть впросак…
Кто на свете всех сильнее?
Насекомые преподносят сюрпризы, связанные отнюдь не только с их умением летать. Поражает, например, их необычайная выносливость. Так, жук-носорог, подобный маленькой живой бронемашине, затрачивает неимоверные усилия на то, чтобы проложить дорогу в ссохшейся почве. Масса энергии уходит у самцов жуков, ведущих между собой тяжелый бой. Сообщалось даже, что жуки способны нести груз, превосходящий собственный вес в 350 раз! Но это были, так сказать, оценки «на глазок». И лишь недавно ученые решили точно измерить усилия жуков.
К насекомому прикрепляли свинцовый грузик весом, превышавшим вес жука в несколько раз. При этом жук продолжал двигаться как ни в чем не бывало. Нагрузку увеличивали. Когда ее вес превосходил вес жука в тридцать раз, он, не спотыкаясь, шел более получаса со своей обычной скоростью – примерно один сантиметр в секунду. Даже при нагрузке, в сто раз превышающей вес жука, он умудрялся с ней справляться. Жук-носорог подтвердил репутацию самого сильного существа на Земле (разумеется, по отношению к собственному весу).
Удивительнее всего оказалось то, что при увеличении нагрузки расход жуком энергии сокращался. Получалось, что на перемещение собственного веса жук тратит больше энергии, чем на переносимый им груз. Такие результаты поставили экспериментаторов в тупик.
На помощь призвали специалистов по биомеханике. Они припомнили, что с подобным явлением приходилось сталкиваться при наблюдениях за женщинами некоторых африканских племен. Те могут нести на голове груз, вес которого составляет около пятой части веса их тела, не совершая при этом дополнительных усилий. Как же это возможно?
Обратили внимание, что из сосудов с водой, которые несут на головах женщины, по дороге не расплескивается ни капли. Это говорит о том, что никаких вертикальных движений они не совершают. Другими словами, в пути женщинам удается поддерживать центр тяжести тела на постоянной высоте. Для этого они вырабатывают особенную плавную походку. Мы же – обычные, нетренированные люди, – когда идем широким шагом или вразвалку, тратим заметную долю своих усилий на никому не нужное смещение вверх-вниз центра тяжести своего тела. Это и приводит к неоправданным затратам энергии, а значит – к усталости.
К сожалению, полностью ответить на вопросы, связанные с движением жука-носорога, до сих пор не удалось. Ученые собираются исследовать усилия, развиваемые каждым из мускулов жука. Уж очень заманчиво выяснить, как можно двигаться без дополнительной затраты сил…
Как себя обезопасить?
Для того чтобы разобраться с особенностями движения жука, биомеханики привлекали сведения о движении человека. Что ж, для исследователей, в принципе, не важно, о каком живом объекте идет речь, – с точки зрения построения моделей, имитирующих его существование в природе.
Вряд ли мы можем по-прежнему ощущать себя «царями природы». Если вы дочитали книгу до этого места, то могли убедиться, что во многом люди уступают своим соседям по планете. Когда же речь заходит о поисках подходящего «типажа» для имитации какого-либо природного или искусственно организованного процесса, человек вполне может служить своей собственной моделью.
Так, например, во время испытаний автомобилей и средств безопасности при езде нет нужды искать какого-либо зверя, который бы «подсказал», что необходимо в этом случае предпринять. Люди создают биомеханическую модель, снимая мерки для нее с самих себя. (Так же, как портные используют манекены, чтобы посмотреть, хорошо ли будет сидеть одежда.)
Как ни старайся, но сделать с помощью регулировки движение на дорогах совсем безопасным нельзя. Всех ситуаций не предусмотришь, и поэтому разработчики автомобилей всячески пытаются обезопасить своих пассажиров. Вот для этого они и прибегают к советам специалистов по биомеханике.
Например, фирма «Дженерал Моторс» спроектировала самовыравнивающееся рулевое колесо и ударопоглощающую рулевую колонку. Чтобы создать это оборудование, потребовались долгие годы исследований особенностей столкновения твердых предметов с тканями человека. После многих экспериментов и обработки данных о реальных авариях была создана биомеханическая модель грудной клетки человека. (На рисунке пружинами отображены упругие свойства наших тканей, а значками в виде кнопок – воздушные амортизаторы, которыми служат легкие.) Подобие этой модели реального человека и дало возможность разработать устройства, снижающие, а то и вообще исключающие травматизм во время аварий.
Закончить этот рассказ, а с ним и главу хотелось бы интересным высказыванием великого ученого Константина Эдуардовича Циолковского, который, размышляя над обеспечением безопасности и комфорта обитателей межпланетных кораблей, предлагал помещать их в жидкость. «Природа давно пользуется этим приемом, – писал он, – погружая зародыш животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений».
Хотелось бы надеяться, что в жидкости космонавт легче перенесет значительные перегрузки, чем в специальном кресле. И хотя это изобретение природы еще ждет своего повторения человеком, важно подчеркнуть, что, видимо, и в космосе пригодятся ее подсказки.
