Погружение и бионика

Рыба является совершенной моделью приспособления к жизни в воде. Ее гидродинамическая форма представляет идеальный профиль, который оказывает минимальное сопротивление при плавании с минимальным расходом энергии, а различные плавники помогают движению тела, и облегчают выбор его направления.

Так, большинство рыб имеют воздушные пузыри вроде гидростатического аппарата, который позволяет рыбе всплывать на поверхность или погружаться вглубь. Связь между пузырем и передней частью кишечника дает рыбам возможность выравнивать разницу в давлении на различных глубинах жидкой среды, в которой они живут. При всплытии на поверхность рыба выпускает часть воздуха из пузыря в кишечник и таким образом происходит выравнивание давления. А когда рыба опускается в глубину, где давление намного больше, кровь освобождает воздух в пузырь посредством специальных "газовых гланд" или через всю стенку пузыря, осуществляя таким образом компенсацию давления, следовательно, уравновешивание давления снаружи с внутренним давлением рыбы. Чтобы течение воды не могло унести рыб, последние имеют органы, состоящие из сенсорных сосочков вдоль боковой линии и скрытых в коротких трубочках или канальцах, наполненных слизью. Даже самые слабые течения воды свертывают желатинообразные цилиндрики, которые возбуждают сенсорные клетки, заставляя рыб рефлексивно обходить эти глубинные течения, которые иногда образуются спонтанно.

Наконец, некоторые рыбы, как сомы или карпы, оснащены так называемым аппаратом Вебера, который состоит из ряда косточек, связанных с одной стороны с передней частью пузыря, а с другой стороны - с внутренним ухом, органом, который и у человека играет большую роль в поддержании равновесия. Поскольку орган Вебера связан с пузырем, он сигнализирует ему об изменениях давления, а пузырь, в свою очередь, сообщает внутреннему уху, которое регулирует через передаваемые в мозг импульсы нормальное положение рыбы в условиях измененного давления.

Погружение и бионика

Проектировщики и конструкторы современных подобных лодок имитировали идеальную гидродинамическую форму рыб и нашли технический эквивалент некоторых приспособительных особенностей морских существ. Так, плавающий пузырь рыб соответствует балластным цистернам, которые с помощью насосов освобождаются от воды и наполняются воздухом, когда подводная лодка выходит на поверхность или, наоборот, постепенно заполняются водой по мере погружения. Только у рыб пузырь имеет две функции: перемещение по вертикали и уравнение органического давления с морским, в то время как у подводной лодки балластные цистерны служат лишь для погружения и всплытия. Стабилизация глубины осуществляется с помощью батиметров, измерительных аппаратов, которые автоматически останавливают работу насосов, когда лодка достигает нужной глубины. Но в техническом плане не решена проблема автоматической синхронизации внутреннего давления подводной лодки и наружного давления. Толщина и прочность сплава, из которого сделан каркас подводной лодки или батискафа, является единственной защитой от огромного давления на глубине морей и океанов. Возможно, "бионики передадут решение этой проблемы, связанной пока с практикой и теорией сопротивления материалов, другим разделам современной техники.

В батискафе вещества легче воды (обычно очень легкий бензин) находятся в корпусе-поплавке, имеющем вид подводного шара, с которым связана герметичная кабина. Из-за большой сжимаемости бензина морская вода проникает под давлением и большой массой по мере увеличения давления и снижения температуры. В результате этого поплавок тяжелеет, а батискаф погружается. Чтобы всплыть на поверхность, сбрасывается через воронку с помощью электромагнитов часть балласта, который состоит из железных опилок.

Водоросли с клетками более 1 см в диаметре, как Valonia macrophyra или Halicystis osterhonti могут иметь клеточный сок легче, чем вода (1,0250 по сравнению с 1,0277) из-за того, что берут из окружающей среды натрий с атомным весом 23 вместо калия, атомный вес которого 39.

Параллельно и независимо от рыб водяные цветковые растения должны разрешать трудную гидротехническую проблему, а именно: перемещение в вертикальном направлении всего организма или части его в определенные периоды жизни. Так, опыление у них осуществляется только на поверхности воды, а плод какое-то время должен находиться на дне болота.

Погружение и поднятие на поверхность осуществляется живыми существами с помощью специальных органов или членов. У растений таких органов нет. Они должны это делать подобно созданному человеком механизму, как подводная лодка, с использованием своей живой энергии и реакции. Погружение подводной лодки осуществляется наполнением балластных резервуаров водой, а всплытие - удалением воды из этих резервуаров с помощью насосов. Чтобы рассмотреть принцип действия подводной лодки применительно к растению, можно рассмотреть болотную марену (Utricularia vulgaris)-маленькое плотоядное растеньице, оснащенное сеткой с капканами. Капканы в форме верш для ловли рыб размером не более 4-5 мм являются трансформированными частями листьев. Мешочки имеют на конце маленькое отверстие, обрамленное волосками и прикрытое изнутри колпачком, который действует как клапан. Такие капканы служат не только Для захвата добычи, но и выполняют роль балластных резервуаров, как у подводной лодки. Когда у растения заканчивается плодоношение, капканы перестают играть свою роль. Колпачки затвердевают, а чувствительные стенки теряют способность сжиматься, вода таким образом свободно проникает внутрь мешочков. Отяжелевшее растение погружается в воду. "Перископ" цветочного стебля, который обычно возвышается над водой, мгновенно исчезает, втягивая за собой маленькие комочки с семенами, которые будут зимовать на дне болота.

Не менее интересной "подводной лодкой" или скорее растительным "батискафом" является водяной каштан, называемый и водяным чертополохом (Trapa natans). Оба названия, кажущиеся противоположными, вполне оправданы для определенного этапа эволюции плода. Вначале покрытый довольно толстой зеленой оболочкой плод кажется похожим на каштан. Оболочка служит ему спасательным кругом, облегчает развитие зеленого зернышка, пока оно связано с растением. Когда плод созрел, связующая нить разрывается, а зеленая оболочка, разложившаяся в воде, отделяется, обнажая одеревеневшую его часть, черную, как эбеновое дерево, с четырьмя острыми колючками и с маленькой крышечкой. Отяжелевший от компактной и питательной сердцевины плод опускается на дно болота, где прочно закрепляется колючками и оберегается таким образом от захвата рыбами. Этот своего рода батискаф зимует на глубине. Весной маленький корешок отталкивает крышечку и закрепляется в иле. Когда растение израсходует все запасы питательных веществ, батисфера облегчается и начинает подниматься вверх, освобождая листья от эбенового затворничества через отверстие крышечки. Освободившись от "балласта", одеревеневший батискаф выходит на поверхность воды, а иногда, уносимый течениями, выбрасывается на берег.

Очень хорошо известно, что вода оказывает сильное сопротивление при движении в ней. Поэтому плавание - это утомительный спорт (хорошо натренированный спортсмен может проплывать самое большее 4-5 км/час), самые быстрые трансатлантические пароходы двигаются со скоростью 30-40 км/час, а совершенные боевые корабли достигают умеренной скорости автомобиля. Если сравнить огромную расходуемую как подводными лодками, так и выпущенными торпедами энергию, то они развивают сравнительно небольшую скорость, равную или немного большую скорости акул и особенно дельфинов, которые достигают ее несравненно меньшими усилиями. На протяжении ряда лет специалисты по гидродинамике искали причину такого низкого "коэффициента полезного действия" подводных лодок и выпущенных торпед. Объяснение такого явления нашли лишь после изучения движений дельфинов, с виду тяжеловесных крупных морских млекопитающих. Неожиданно было установлено, что во время движения вокруг животного образуются тонкие дорожки, которое не превращаются в водовороты, как у подводных лодок. Между тем, чтобы преодолеть сопротивление, создаваемое водоворотами, подводная лодка расходует почти 9/10 энергии двигателей.

Подробные исследования в подводном "туннеле", в специально оборудованных бассейнах и в лабораториях, оснащенных микроскопами большой точности, позволили найти секрет движения дельфинов без образования водоворотов. Установлено, что кожа у дельфина двухслойная: наружная, тонкая (1,5 мм), очень эластичная и вторая, внутренняя, более толстая (4 мм) и менее эластичная. Внутренняя сторона наружного покрова пронизана трубочками и канальцами, наполненными мягким губчатым веществом, которое обеспечивает высокую эластичность. Следовательно, наружная пленка действует как диафрагма, чувствительная к изменению давления: она препятствует образованию водоворотов позади дельфина, передавая давление канальцам с амортизирующими веществами.

По такому образцу немецкий инженер Крамер сделал двойной каучуковый лист, названный "ламинфло" с внутренними канальцами, наполненными амортизирующей жидкостью. Таким листом была обшита торпеда. Результат был поразительным. Турбулентность воды позади торпеды уменьшилась примерно на 60%, а скорость увеличилась на 25%.

В ближайшем будущем такое усовершенствование, которое человек позаимствовал у дельфина, найдет все большее применение в мореплавании. Можно при меньших затратах энергии достигать более высоких скоростей моторных лодок, транспортных судов, трансатлантических кораблей, подводных лодок. Малые скорости ныне ставят их в неблагоприятное положение по сравнению с воздушным сообщением. Не исключено, что спортсмены, одетые в амортизирующий костюм, смогут побить все рекорды по плаванию. Может быть, также не будет фантастикой, что самолеты тоже "позаимствуют" кожу от дельфинов и легче будут преодолевать воздушные вихри вокруг них; ведь они приносят ныне много забот конструкторам современных воздушных кораблей.