Бионика: подсказано природой
Шрифт:
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 большую 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.
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.