Дизайн для реального мира
Шрифт:
У семян белого ясеня (Fraxinus americana) почти такие же характеристики, как у кленовых семян. При отсутствии ветра они падают почти прямо вниз, вращаясь по узкой спирали. При сильном ветре семена летят горизонтально или, будучи очень легкими, некоторое время поднимаются, продолжая быстро вращаться. Если масса семян сконцентрирована в небольшой плотной сфере, они падают гораздо быстрее, так как из-за уменьшенной площади поверхности трение о воздух сокращается. Однако, если бы семя было пустой сферой той же массы и с тем же поверхностным замедлением, но не вращалось бы, оно падало бы еще быстрее. Таким образом, мы видим, что вращение замедляет падение семян. Это объясняется тем, что при вращении семена используют энергию, которая в ином случае ускоряла бы падение.
Семена липы
Характеристики полета всех этих вращающихся по спирали семян еще недостаточно изучены. Вращение по спирали таких семян, искусственно воспроизведенное в другой среде, помимо воздуха (вода, масло, бензин), в практически полном вакууме или при разной гравитации также может стать богатым источником дизайнерских концепций.
Семена китайского ясеня-айланта (Ailanthus altissima) при падении быстро вращаются вокруг своей продольной оси, делая полный оборот за то время, пока они опускаются примерно на четверть своей длины. Геометрию этого семени можно приблизительно показать с помощью свернутой бумаги (см. иллюстрацию). В первой имитации оба конца закручены одинаково, что в природе встречается редко. В этом случае семя при безветрии опускается по прямой линии под углом примерно сорок пять градусов к горизонтали. Если же концы закручены неодинаково, как показано во второй имитации, семя летит по траектории, сочетающей спираль с осевым вращением. Вращающийся конец притягивает воздух от края семени внутрь, к его центру. В результате вокруг семени и под ним появляется зона высокого давления, которая замедляет его спуск. Когда вращательные движе-1151 одинаковы, обе стороны подают одинаковое количество воздуха к центру, в результате чего в этой области давление понижается. Следовательно, на семя воздействуют неравные силы. Семя скользит по осевой в направлении области более низкого давления. Таким образом, вместо того чтобы лететь по прямой линии, семя спускается по спирали. Сочетание осевого вращения, скольжения и спирального спуска придает каждому семени очень медленный и почти хаотичный полет. Для искусственных «семян» все эти характеристики – замедление, вращение скорость спуска, отклонение от курса, скольжение – могут быт программированы.
Семена дикого лука (Allium cernuum) и козлобородника им ют совершенно различные траектории полета. Семена диког лука – тонкая структура лучеобразных, кружевных, зонтичных образований. Десятки семян образуют подобный паутине шарик вокруг центрального стебля растения. Этот шар – сфера постоянного давления и прерывистого сжатия. Зонтики тесно переплетены и слегка повернуты внутрь. Когда они отделяются, тонкие волокна становятся плоскими и теряют свою выпуклость. Каждый «парашют», отделившийся от сферы, совершает резкий кувырок, чтобы его ворсинки не зацепились за другие семена. Эти семена падают как крошечные парашюты, только гораздо медленнее. Так как в отличие от парашютов у этих структур плоская верхушка в форме диска, состоящая из тонко переплетенных волосков, их скорость и траектория падения могут пригодиться в тех областях, где бесполезны обычные парашюты. Кроме того, их кружевной купол не может быть обнаружен с помощью радара.
Другие характеристики семян – якорное закрепление, зацепки и крючки. В 6-й главе мы рассмотрели использование искусственных репьев для ограничения эрозии или в качестве «песчаных якорей» в Судане. Обычный репейник (Xanthium canadense) прицепляется к меху животных или же, кстати, к мужским брюкам во время прогулки осенью по полям. Особое действие крючочков применяется в нейлоновых застежках для одежды типа велькро. Здесь наружная поверхность крошечных петель и внутренняя поверхность маленьких крючков ориентированы по двум осям. Когда их прижимают друг к другу, их можно разделить только в одном направлении; они сопротивляются разделению по другим осям. Этот принцип был использован в изготовлении манжет для измерения кровяного давления; подошвы костюмов американских астронавтов также снабжены крючочками, позволяющими в условиях невесомости ходить по имеющей петельчатую
Взрывающиеся семена – семена, которые благодаря внутренней конструкции стручка выбрасываются на двадцать лее футов, – новая область полезных исследований. Особ плодотворно было бы исследование семян маленькой ягоды Hubux arcticus, растущей только в Лапландском районе Финляндии. Семена знакомого нам «бешеного огурца» (Ecbellium elat ит) при выбросе достигают скорости распространения десять ярдов в секунду и скорости полета – около 20 миль в час Cyclanthera explodens из семейства тыквенных хранит свои семена под давлением шестнадцать атмосфер, распространяя их взрывообразно со скоростью 65 миль в час.
Характеристики роста практически любого растения могут подсказать новаторское решение многих проблем дизайна. Мы можем многое узнать, наблюдая за ростом обыкновенного зеленого горошка. Если горошек «идет в семена», ребро задней части стручка прекращает расти. Но так как стручок продолжает развиваться, то вскоре он очень медленно раскрывается, и горошины «вылезают» из него. Мы убедили одного изготовителя детских ректальных свечей использовать этот принцип для производства упаковки. Раньше каждая свеча была завернута в серебряную фольгу, по восемь штук в коробке. Три четверти глицерина забивалось под ногти разворачивающих свечи родителей, причем свечи теряли стерильность. Чтобы решить эту проблему, упаковке придали не совсем обычную форму. Свечи укладывались в полиэтиленовую упаковку, устроенную наподобие стручка, – с жестким ребром сзади и легко раскрывающимися створками спереди. Их закрывала стиреновая крышка, которая плотно прижимала упакованные свечи. Как только крышку открывали – створки упаковки раскрывались, свечи приподнимались и выступали наружу. Стоило крышку задвинуть, створки сжимались, и свечи ложились на место.
Текст на рис. справа: При отсуствии ветра семена ясеня падают почти прямо вниз, вращаясь по узкой спирали. За один оборот семечко опускается примерно на 1/4 своей длины. При сильном ветре семена летят горизонтально или даже поднимаются вверх, продолжая быстро вращаться. При вращении семена используют энергию, которая в ином случае ускоряла бы падение. ПАДЕНИЕ СЕМЕНИ ЯСЕНЯ. ОДИН ОБОРОТ
Три примера исследований аэродинамического поведения семян, проведенных группой аспирантов (Роберт Тоеринг, Джон К. Миллер и Джолан Труан) под руководством автора. Университет Пердью
Еще ничего не было сказано о теплоизоляции, хранении тепла, защите от холода и многих других свойствах семян.
В конце 1970 – начале 1980 годов я продолжал исследование защитных способностей семян. Стручки некоторых деревьев и кустарников раскрываются поздним летом, выбрасывая семена, присоединенные в похожему на вату пуху, благодаря которому ветер разносит их на большое расстояние. Здесь интересно то, что плотно упакованный пух, когда полностью расправляется, занимает объем в сорок раз больший того, что он занимал в стручке. Эти исследования привели к разработке усовершенствованной почтовой упаковки для точных приборов; последующие исследования были направлены на возможность действительно выращивать теплоизоляционный материал вокруг линз фото- и телекамер, инструментов и электронных приборов.
Эта упаковка была создана по образцу стручка гороха. Дизайн автора
Прежде чем закончить с темой семян, я хотел бы подчеркнуть, что заниматься бионикой весело и интересно. Мы начали с того, что написали на факультеты ботаники крупнеиших университетов Европы и Северной Америки о том, что интересуемся семенами растений с точки зрения их устройства как хранилищ взрывающихся механизмов, систем доставки «воздух-земля», глайдеров, парашютов и летательных аппаратов. Семьдесят полученных ответов нас разочаровали: каждый ботанический факультет объяснял, что такие абстрактные структурные характеристики не важны в сравнении с исследованием генетики растений.