Порхай как бабочка, скользи как дельфин

В конце 70-х журналисты швейцарской газеты «Вельтвохе» опубликовали большую статью, посвященную… дельфинам. И дело даже не в том, что они заинтересовались жизнью этих умных морских обитателей; на дельфинов пристально посмотрели с точки зрения бионики — науки, которая помогает использовать природные явления в техническом конструировании. Как инженеры учатся у природы и при чем здесь дельфины, читатели «За рубежом» узнали из № 52 (1017) от 21-27 декабря 1979 года. 

Еще в 30-х годах английский ученый Джеймс Грей задался вопросом: как, обладая относительно небольшой мускульной силой, дельфины умудряются развивать такую немыслимую скорость? Мускулы, тщательно рассмотренные в микроскоп, не дали ответа на этот вопрос — они не отличались какой-то сверхсилой по сравнению с мускулатурой других животных. Это загадочное природное явление так долго ставило ученых в тупик, что даже получило собственное название - «парадокс Грея», разгадать который удалось много позже уже немецкому специалисту по ракетной технике М. Крамеру. Во время путешествия в Америку он наблюдал за стайкой резвящихся дельфинов, которые с легкостью обгоняли его судно, и тут его осенило: а может, дело не в мышцах, а в коже?

Крамер тщательно изучил кожный покров дельфина под микроскопом и выяснил следующее: он состоит из нижнего слоя толщиной в несколько миллиметров и верхнего, толщина которого всего 1,5 миллиметра. В то время как нижний слой довольно твердый за счет соединительнотканных тяжей мускулатуры, верхний - очень мягкий, на 80 процентов состоит из воды. И только тонкий кожный покров, который контактирует с внешней средой, так же прочен, как и нижний слой. Нижний слой с помощью многочисленных сосочков внедряется в верхний кожный слой и тем самым образует как бы свайный каркас, в котором циркулирует жидкость.

Оказалась, что подобная структура кожи обладает упругой обтекаемостью и точно повторяет колебания среды, гася тем самым сопротивление воды при движении дельфина. То есть благодаря столь гибкой коже дельфин буквально скользит в воде, не встречая препятствий. Крамер, разумеется, тут же начал думать, как это открытие можно применить в своем инженерном деле. Во-первых, он сконструировал подобие кожи дельфина из резины, между слоями которой была жидкость. Во-вторых, обтянул этой кожей конструкцию в форме торпеды. После чего искусственного «дельфина» протащили на буксире, замерив силу создаваемого при этом сопротивления. Аналогичный эксперимент провели с «дельфином» без резиновой кожи.

При буксировке торпеды с жестким корпусом в целом создается большое сопротивление ее движению, вызванное турбулентностью при ее обтекании. Картина выглядит совсем иначе, если тот же самый корпус обтянуть искусственной кожей. Во-первых, сопротивление воды при всех скоростях меньше, чем в случае с жестким корпусом. Во-вторых, это различие тем больше, чем больше скорость движения торпеды, то есть чем быстрее плывет искусственный дельфин, тем в большей мере проявляются хорошие обтекаемые свойства его «кожи». В этом случае может быть легко достигнут коэффициент антитурбулентности, равный 10. Таким образом, парадокс Грея можно считать разгаданным. 

Сыграла ли разгадка парадокса Грея какую-то роль в будущем? Безусловно. Искусственный материал получил название «ламинфло», и, аналогично коже дельфина, он не смачивается и имеет такую же эластично-упругую структуру, которая позволяет скользить в воде с минимальным сопротивлением. Ламинфло обшивают подводные части кораблей, что на 20-25 % повышает их скорость при той же мощности двигателя.

А буквально в конце июля этого года нестандартное применение искусственной коже нашли китайские ученые. Инженеры Института технологий и инженерии материалов Нинбо (NIMTE) создали покрытие из гибких материалов с микроструктурой толщиной 0,1-0,2 мм для корабельных винтов. И хотя это ламинфло намного примитивнее настоящей кожи дельфина, оно помогло существенно снизить трение.

Может показаться, что это не так много, но, если бы решение было внедрено повсеместно, это позволило бы сократить выбросы углекислого газа более чем на 900 тонн каждый год.

И это не единственный пример того, как бионика поменяла жизнь человечества к лучшему. Например, в ходе исследований выяснилось, что кожа акулы покрыта многочисленными чешуйками под названием «кожные зубики», благодаря которым во время плавания не формируются водовороты и акула плывет быстрее. Теперь эту особенность применяют при создании костюмов для олимпийских пловцов.

При наблюдении за горбатыми китами выяснилось, что они развивают весьма приличную для своего веса скорость - до 27 километров в час - благодаря строению плавников. На их краях есть бугорки с зазубринами.

Добавив на лопасти самолетных турбин аналогичные бугорки с зазубринами, инженеры добились того, что самолеты стали мощнее, а уровень шума и сопротивление воздуха снизились.

А ракеты полетели во многом благодаря… осьминогам. Они передвигаются реактивными скачкообразными движениями, всасывая воду в специальную камеру (жаберную полость), а после силой мышц выталкивают ее через воронку, двигаясь скачкообразно. По такому же принципу и в ракете используется сила выталкивания газов.

И это лишь малая толика того, что инженеры позаимствовали у природы. Бионика по сей день остается одной из самых перспективных и развивающихся наук.

Мария Седнева

Иллюстрация: использованы изображения из архива и Mika Baumeister