Бионика: подсказано природой
Шрифт:
Сначала пчелы возводят в улье опорную стенку, затем на ней «моделируют» соты. Поначалу круглые ячейки в стене пчелы выскабливают изнутри под углом шестьдесят градусов. Именно такой угол обеспечивает затем сотам правильную шестигранную форму и отменную крепость.
Аристотель (384–322 до н.э.) – древнегреческий философ. Создал первую классификацию животных, определил пять основных типов чувств: зрение, осязание, обоняние, слух и вкус. Ему принадлежат сочинения «Описание животных» и «О возникновении животных». Считал, что научному объяснению всегда должно предшествовать свободное от предвзятости наблюдение.
Замечено это было еще в древности, например, Аристотелем, писавшим, что пчелиный улей настолько прочен и тверд, что его трудно разрушить даже острой палкой. Однако долгое время было неясно, почему пчелы выбрали для улья именно такую форму. Давайте попробуем воспроизвести ход рассуждений исследователей, пытавшихся разгадать эту загадку. Очевидно, что пчелам требовалось найти такое решение, чтобы и домики были крепкими, и разумно использовалось их пространство.
Из отложенных в соты яиц в течение нескольких дней развиваются куколки. Просторней всего они чувствовали бы себя в помещении округлой формы (вроде цилиндрика). Но тогда между домиками оставалось бы много свободного места, да и сами домики надо было бы строить по отдельности.
Ни квадраты, ни равносторонние треугольники, заложенные в основание ячейки, не подходят для достижения поставленной цели, поскольку куколка находилась бы в середине ячейки, оставляя пустыми ее углы.
< image l:href="#"/>После долгих, продолжавшихся, возможно, миллионы лет проб пчелы выбрали шестиугольник. А человек своими расчетами подтвердил, что это идеальная форма для наиболее полного использования площади. Согласитесь, что контур шестиугольника близок к кругу и почти весь объем ячейки заполняется куколкой, а общие стенки домиков ведут к большой экономии строительного материала – воска.
Архитекторы и строители уже убедились, насколько выгодны такие ячеистые элементы для сборных конструкций, и активно их применяют. Появились сотообразные плотины, элеваторы, гостиницы, жилые дома…
Почему прочны кости?
Достигнув в строительстве зданий высокого мастерства, люди, тем не менее, долгое время не рисковали строить высотные дома. Ведь строительные материалы были не настолько прочны, чтобы выдерживать огромные нагрузки, возникающие при возведении небоскребов.
К тому, о чем мы говорили ранее, обсуждая, на какую высоту поднимаются в деревьях соки, надо добавить, что ограничения на рост растений накладывает и их вес. Дерево циклопических размеров раздавит само себя.
Проблема, однако, заключается не только в прочности материала, но и в способах соединения изготовленных из него деталей сооружения. Скажем, из легких и длинных деревянных бревен можно соорудить каркасы различной формы, а вот из камня нет смысла вырубать длинную перекладину – при испытываемых ею нагрузках от собственного веса такое его применение будет совсем неоправданным.
Использование металла в строительстве довольно быстро привело к появлению так называемых ажурных конструкций. Иными словами, монтировался «скелет» здания, а уже к нему крепились остальные элементы – стены, оконные и дверные блоки, лестницы и прочее.
Сказав слово «скелет», мы не просто прибегли к наглядной аналогии. Не только медикам и физиологам известно, какой прочностью обладают составляющие его кости. Например, бедренная кость человека выдерживает нагрузку до полутора тонн (это вес автомобиля). Конечно, хорошо, что природа «сооружает» нас с таким запасом прочности. Но как ей это удается?
Сотни миллионов лет она словно ставила опыт за опытом, отрабатывая жизнеспособные «конструкции». В последние десятилетия были найдены останки нескольких гигантских древних ящеров. Сначала – сейсмозавра («сотрясателя земли»), весившего около восьмидесяти тонн. Позже – аргентинозавра ростом свыше тридцати метров и весом более 100 тонн. И маменчизавра, вес которого доходил до 120 тонн. Какие же прочные им были нужны скелеты!
Исследование костей показывает, что прочность их строения определяется в том числе и своеобразным распределением составляющих их тканей. Они выстилаются таким образом, что разносторонние – и с торцов, и с боков – нагрузки вызывают прежде всего сжатие или растяжение костей, а не их изгиб. Для сравнения вспомните: как легче сломать палку – вдоль или поперек? К тому же основная масса костей сосредоточена в их внешней части, а внутри они пористы, практически пусты. Особенно это заметно у птиц.
Такое созданное природой распределение материала удивительным образом совпадает с инженерными находками человека. Например, люди уже давно поняли, что столбы и опоры не обязательно делать сплошными, можно вполне обойтись трубами. В конструкциях различных металлических башен порой можно обнаружить буквальное повторение конструкции костей. Таково, например, устройство знаменитой Эйфелевой башни. А вот выяснилось это чуть ли не через сто лет после ее создания.
Так что теперь при постройке высотных сооружений люди уже намеренно стремятся заимствовать решения, найденные и опробованные природой.
Чья скорлупа крепче?
Помните выражение «не стоит выеденного яйца»? В этих словах кроется пренебрежительное отношение к яичной скорлупе.
А ведь это не что иное, как пример чудесной природной конструкции. Толщина скорлупы куриного яйца – доли миллиметра, но попробуйте раздавить его, сжав ладонями с концов. Не так-то легко, правда?