Н.Н. СЕНЬКИНА,
учитель биологии школы № 17,
п. Богородское, Московская обл.

Продолжение. См. № 15/2004

Урок-конференция по бионике

Седьмой ученик рассказывает о конусообразных конструкциях. В живой природе форма и функция тесно взаимосвязаны. Механические свойства тканей организмов связаны с интенсивностью их роста и зависят от многих внешних факторов. Для опорных элементов конструкций, например стволов и стеблей растений, характерно распределение строительного материала по линиям максимальных напряжений. На эти элементы приходится значительная часть массы организма.
Одной из типичных форм опорного элемента является конус. Конусообразные формы встречаются в конструкциях крон и стволов деревьев, стеблей и соцветий, грибов, раковин и пр.
В природе встречаются конусообразные формы двух типов. Первый тип предназначен для обеспечения устойчивости. Ему соответствует статичный конус, или конус гpавитации (конус основанием вниз). Это оптимальная форма для сопротивления ветровым нагрузкам и действию силы тяжести. Ее легко увидеть в форме кроны или ствола ели, шляпки или ножки белого гриба, сморчка обыкновенного, гриба зонтика.
Второй тип соответствует началу развития и выражается в форме динамического конуса, или конуса роста (конус основанием вверх). Примерами конуса роста являются гриб бокальчик, гриб лисичка, слоевища некоторых видов лишайника кладонии.
В природе обычно встречаются не чистые типы конусов, а сочетание двух типов. Комбинации одинаковых или разных по типу конусов дают начало различным формообразованиям. Примером могут служить кроны многих деревьев, которые в нижней части имеют форму конуса роста, а заканчиваются конусом гравитационным (рис. 7).

Рис. 7. Конусообразные конструкции: 1 – гриб зонтик острочешуйчатый; 2 – лишайник кладония красноплодная; 3 – раковина моллюска конуса; 4 – ель; 5 – Останкинская телебашня (основание); 6 – схема взаимодействия конусов разных типов

Архитекторы, проектируя различные объекты, нередко используют конусовидные конструкции. Так, в форме Останкинской телебашни отчетливо виден конус гравитации. Конус роста лежит в основе строения водонапорной башни в Алжире. Ярким примером сочетания двух конусов является конструкция водонапорной башни известного русского архитектора В.Шухова (1896).

Восьмой ученик рассказывает о сетчатых, решетчатых и ребристых конструкциях. Широкое распространение в природе имеют плоские и изогнутые ребристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений.
Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря имеющимся в них сеткам жилок. Такой каркас выполняет основную несущую роль, тогда как другие элементы конструкции, например, пленка листа или мембрана крыла, могут иметь минимальную толщину. Это также один из примеров достижения прочности при минимальной затрате материала. Тонкие крылышки стрекозы-коромысла делают до 100 взмахов в 1 с, шмеля – более 200, комнатной мухи – до 300, а комара-дергуна – до 1 тыс. взмахов.
Заинтересовал архитекторов и принцип конструкции листьев растений. Лист растения обладает достаточной механической прочностью, которая в значительной степени зависит от жилок, пронизывающих его плоскость от основания до верхушки. Особое внимание привлек к себе лист тропического растения виктории регии, встречающегося в водах Амазонки и Ориноко. Плавающие листья этой крупной водяной кувшинки вырастают до 2 м в диаметре и выдерживают, не погружаясь в воду, вес до 50 кг. С нижней стороны этот лист укреплен толстыми и прочными прожилками, похожими на канаты. Продольно изогнутые жилки скреплены между собой серповидными поперечными диафрагмами. Такая конструкция создает прочную основу для размещения между жилками тонкой полупрозрачной пленки листа.
Взяв за основу жилкование листа виктории регии, итальянский архитектор П.Нерви сконструировал плоское ребристое покрытие фабрики Гатти в Риме и покрытие большого зала Туринской выставки, добившись большого конструктивного и эстетического эффекта. Принцип построения листа виктории регии использовали и наши архитекторы при сооружении потолка фойе Тульского драматического театра. Они протянули по потолку железобетонные нервюры, которые несут огромный пролет.
Используется в архитектурной практике и принцип построения природных пространственно-решетчатых систем, характерных для радиолярий, диатомовых водорослей, некоторых грибов, раковин, а также для микроструктуры головки тазобедренной кости. В этих моделях особенно ярко проявляется принцип распределения материала с расчетом на самые случайные и разнонаправленные действия нагрузок. Например, структура головки тазобедренной кости построена так, что она никогда не работает на излом, а только на сжатие и растяжение. Подобная система может быть использована в конструировании опорных рам, ферм, подъемных кранов.

Девятый ученик рассказывает о фотосинтезе и архитектуре. Под влиянием солнечной энергии в зеленых листьях происходит фотосинтез – образование необходимых растению органических веществ из неорганических, которые растение получает из внешней среды. Без света зеленое растение жить не может.
Чтобы растения могли улавливать своими листьями столько света, сколько им необходимо для нормальной жизнедеятельности, природа создала различные системы расположения листьев на стеблях: очередное, свойственное большинству цветковых растений, например подсолнуху; супротивное, как у крапивы, и мутовчатое, как у вороньего глаза.
Различное расположение листьев связано с природно-климатическими условиями. В затененных местах чаще встречаются растения с очередным листорасположением, обеспечивающим максимальное освещение листьев солнечным светом. Минимальная затеняемость листьев достигается и при их мозаичном расположении, когда просветы между большими листьями заняты меньшими по размеру, как, например, у плюща. Хорошо освещаются листья, собранные в прикорневые розетки, как у первоцветов или одуванчиков. Приспособлением к наилучшему освещению растений является также принцип конусообразного роста, когда меньшие по размеру верхние цветки и листья не затемняют нижние «этажи», что хорошо видно на соцветиях люпина, наперстянки или в конструкции елей.
В жарком климате растения, избегая излишнего солнечного облучения, сокращают поверхность листовой пластинки, или изменяют ее форму (кактусы, алоэ, саксаулы), или располагают, а иногда и поворачивают лист о сторону солнечного излучения не плоскостью, а ребром (сильфиум).
Принципы формообразования и конструкции растений с учетом использования солнечной энергии привлекли внимание архитекторов при планировке и застройке городов различных климатических поясов. Появляются проекты жилых домов (дом-елка, дом – зерна на початке), в которых жилые ячейки пространственно отдалены друг от друга и со всех сторон освещаются солнцем.
Для защиты от избытка солнца архитекторы ориентируют дома узкой стороной на юг, украшают фасады зданий солнцезащитным рельефом. Примером является современная архитектура Ташкента или Ашхабада.

Десятый ученик рассказывает о трансформациях. Мир живой природы наполнен движением. Чутко реагируя на изменения, происходящие во внешней среде, живые организмы приспособились регулировать поступление необходимых им тепла, влаги, света и временно изменять свою форму или положение в пространстве в ответ на механические раздражения.
В зависимости от времени суток, т.е. освещенности, открываются или закрываются лепестки цикория, ноготков, мака, шиповника и других цветов. Вслед за движущимся на небосводе солнцем изменяют положение листья на стеблях белой акации и хлопчатника, под сильными солнечными лучами складывает листочки кислица. Улавливая изменения температуры и влажности перед переменой погоды, меняют пространственную форму листья клевера, папоротника, костяники. При внешнем механическом раздражении складывают листочки мимоза стыдливая и росянка, сжимаются в комочек актинии и свертываются в шар ежи и трехпоясные броненосцы.
Все эти изменения формы растений и животных носят временный характер. В биологии такие движения называются обратимыми движениями, а в архитектуре – трансформациями.
Принцип трансформации природных конструкций и систем представляет большой интерес для архитекторов при создании «движущейся архитектуры» – проекты легких, складных транспортабельных домиков различного назначения, быстро трансформируемых помещений (залов, арен) с изменением площади и планировки. Примером того является стадион «Олимпийский» на проспекте Мира в Москве. Это самое большое в нашей стране закрытое спортивное сооружение, которое за короткий срок можно трансфор- мировать в легкоатлетический манеж, гимнастический помост, поле для футбола, хоккея, площадку для скоростного бега на коньках и т.д.
Особенно актуальна проблема создания трансформирующихся сооружений, например, зданий с автоматически регулируемыми покрытиями, для районов с неустойчивым климатом. Группой архитекторов создан проект стадиона в Киеве с крышей в виде цветка, лепестки которого поднимаются и опускаются в зависимости от погоды (рис. 8).

Рис. 8. Трансформации: 1– цикорий; 2 – броненосец трехпоясный; 3 – кислица; 4 – броненосец, свернувшийся в шар; 5 – соцветие подсолнечника; 6 – макет стадиона в Киеве с поднятой крышей; 7 – схема покрытия стадиона (крыша опущена)

Одиннадцатый ученик рассказывает о биомеханических моделях. За миллиарды лет эволюции природа создала организмы, обладающие специальными устройствами для передвижения по самым разнообразным поверхностям. Так, конечности мух и черных морских ежей имеют вакуумные присоски, благодаря которым ежи, например, взбираются по совершенно отвесным скалам, а мухи ползают по совершенно гладкому стеклу или потолку.
Пауков природа наделила чудесным гидроприводом, жидкостью для которого служит кровь животного – лапки пауков лишены мышц. Когда паук вытягивает лапки, давление крови в них повышается до такой степени, что отвердевают даже щетинки. То повышая, то понижая в лапках давление крови, пауки приводят их в движение. Гидравлическая система паука действует мгновенно, давление крови регулируется автоматически. Это дает возможность паукам очень быстро бегать на своих длинных ногах даже по пересеченной местности.
В основе движения обитателей сыпучих грунтов лежит принцип вибрации. Вибрация может быть различной частоты и интенсивности (амплитуды), и в зависимости от этого частицы грунта под телом животного либо уплотняются, либо раздвигаются. Этот принцип используют многие обитатели песчаных пустынь, например ящерицы круглоголовки, которые при опасности погружаются в песок, «тонут», а спустя некоторое время «всплывают».
Своеобразен способ передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Чтобы не проваливаться при ходьбе, пингвины ложатся на живот и, отталкиваясь крыльями и лапами от снега, скользят по нему со скоростью до 25 км/ч (рис. 9).

Рис. 9. Биомеханические модели: 1 – паук-крестовик; 2 – комнатная муха; 3 – ящерица ушастая кругло-головка; 4 – императорский пингвин; 5 – снего-ходная машина «Пингвин»; 6 – схема передвижения морского ежа, использующего присоски

Специалисты по бионике уже давно исследуют конструктивные особенности оригинальных «живых движителей» и «живые модели», отличающиеся высокой проходимостью, маневренностью, надежностью и экономичностью. На их основе разрабатываются проекты вездеходных, прыгающих, ползающих и других универсальных средств передвижения. Принцип вакуумной присоски используется в подъемных кранах, стоящих на прижатой к земле стальной чаше, из-под которой откачан воздух. В основе движения шагающего экскаватора лежит гидропривод, напоминающий гидропривод паука. Создана снегоходная машина «Пингвин», развивающая скорость по рыхлому снегу до 50 км/ч.

Двенадцатый ученик делает сообщение о полете насекомых. Одно из изумительных творений природы – летательный аппарат насекомых. Скорость полета насекомых по сравнению с современными самолетами невелика – быстрее всех, со скоростью до 144 км/ч, летает стрекоза-дозорщик. Однако относительная скорость, т.е. скорость, отнесенная к длине летящего устройства, у насекомых намного больше, чем у самолета, а относительный (на единицу массы) расход горючего – значительно меньше.
Особенно удивительна маневренность полета насекомых. Бабочка языкан на лету останавливается перед цветком, чтобы собрать нектар. Стрекозы, осы, пчелы и бабочки бражники могут передвигаться в воздухе не только вперед, но и назад, вправо, влево, вверх н вниз. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности насекомые не имеют себе равных ни в живой природе, ни в современной авиационной технике.
При высоких скоростях полета возникает особое явление – сильная вибрация крыла, или флаттер, которая может привести к его разрушению. С этим явлением более полувека назад столкнулись авиаконструкторы, когда скоростные самолеты стали рассыпаться в воздухе. На борьбу с флаттером ушло много сил и времени. В конце концов решение было найдено. Как выяснилось много позже, оно давно использовалось быстролетающими насекомыми, у которых на конце крыльев имеются хитиновые утолщении (птеростигмы), предотвращающие флаттер.
Маленькое чудо природы – водяной клоп-гладыш. Спинка у него выпуклая с острым килем посередине, а брюшко плоское, поэтому плавает гладыш на спинке, брюшком вверх. Когда же надо взлететь, клоп переворачивается и взмывает в воздух прямо с воды. С точки зрения техники, гладыш – это лодка, способная при необходимости выдвигать крылья и превращаться в самолет (рис. 10).

Рис. 10. Полет насекомых: 1 – клоп-гладыш; 2 – муха из семейства сирфид (шмелеандка прозрачная); 3 – жук голиаф; 4 – бабочка языкан; 5 – стрекоза дозорщик; 6 – самолет вертикального взлета и посадки; 7 – схема действия прибора гиротрона

Полет насекомых – процесс сложный и во многом еще не изученный. Когда удается раскрыть его секреты, конструкторы стремятся использовать их в своей работе. Так, например, был разгадан секрет жужжалец – недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у мух и некоторых других насекомых. Во время полета жужжальца колеблются в определенной плоскости и служат насекомому датчиками отклонений от положения равновесия. На том же принципе был создан прибор гиротрон, применяемый в скоростных самолетах и ракетах для обнаружения углового отклонения и обеспечения стабилизации полета.
Но идея создания летательного аппарата, имитирующего полет насекомых, зародившаяся в глубокой древности, продолжает оставаться на повестке дня бионики.

Тринадцатый ученик рассказывает о гидродинамике живых систем. Конструируя плавающие организмы, природа наделила их такими приспособлениями, которые обеспечивают наиболее эффективное преодоление сопротивления водной среды и максимально экономичное и быстрое движение.
Рекордсменом по скоростному плаванию среди рыб является рыба-меч, скорость которой достигает 140 км/ч. Преодолевать сопротивление воды этим рыбам помогает их форма тела – сжатая с боков, она напоминает профиль крыла самолета. Важную роль при движении играют большой хвостовой плавник серпообразной формы, длинный меч – видоизмененная верхняя челюсть рыбы, а также жабры. Изменяя положение жаберных крышек и меняя количество воды, проходящей через жабры, рыба-меч управляет состоянием пограничного слоя воды, влияющим на скорость плавания. Есть у этой рыбы и другие секреты, многие из которых еще не раскрыты.
Быстрым и продолжительным плаванием отличаются морские стайеры – тунцы, проплывающие с высокой скоростью расстояния до 9 тыс. км. Форма тела тунца, его гладкая, эластичная поверхность с обильным выделением слизи и некоторые другие приспособления предотвращают появление вихревых потоков и обеспечивают высокую скорость и экономичность его движения в воде.
Искуснейшими пловцами являются дельфины. Высокая скорость перемещения дельфина в воде обусловлена активной ролью наружных покровов в формировании обтекающих его тело потоков: небольшие изменения формы поверхности позволяют гасить турбулентные потоки. На больших скоростях начинается волновое движение кожного покрова, которое также гасит вихри и обеспечивают быстрое плавание (рис. 11).

Рис. 11. Гидродинамические системы: 1 – кальмар; 2 – тунец; 3 – меч-рыба; 4 – современная подводная лодка; 5 – схема движения дельфина в воде

К числу отличных пловцов принадлежат и головоногие моллюски кальмары. Кальмары обладают высокоэфективным реактивным движителем: засасывая большое количество воды, они затем выбрасывают водную струю через узкую воронку. Меняя угол установки воронки, кальмары могут плыть как вперед, так и назад. Развивая скорость более 60 км/ч, эти живые ракеты нередко выскакивают из воды на высоту до 7 м, пролетая над волнами более 50 м. Они производят стремительные повороты и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях. Мягкое, но упругое, покрытое слизью тело кальмара способно существенно деформироваться. Кроме того, во время движения оно приобретает очертания, похожие на профиль самолетного крыла. Длинные щупальца моллюска, снабженные килями, во время движения вытянуты и плотно сложены – они стабилизируют направление движения и помогают сохранять или изменять курс.
Раскрывая и изучая гидродинамические секреты природы, ученые используют их на практике: изменяют форму подводных лодок, покрывают корпуса судов искусственной «дельфиньей кожей» (ломинфло). Движители-водометы (созданные без «подсказки» кальмаров) не нашли пока широкого применения.

Продолжение следует