Бионика: подсказано природой
Шрифт:
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.