Текст книги "Бионика: подсказано природой"

Чья скорлупа крепче?

Помните выражение «не стоит выеденного яйца»? В этих словах кроется пренебрежительное отношение к яичной скорлупе.

А ведь это не что иное, как пример чудесной природной конструкции. Толщина скорлупы куриного яйца – доли миллиметра, но попробуйте раздавить его, сжав ладонями с концов. Не так-то легко, правда?

Недаром свое потомство «заключали» в яйца не только птицы, но и черепахи, змеи, крокодилы и даже громадные динозавры. Примером прочности может служить скорлупа страусиного яйца, выдерживающего груз в 105 килограммов.

В чем причина прочности яичной скорлупы? Главным образом в ее геометрической форме. На рисунке показано, что при внешнем давлении на скорлупу усилие передается таким образом, что сжатие скорлупы происходит в направлении, почти перпендикулярном силе. Иными словами, давление воспринимается не отдельно каким-либо участком скорлупы, а распределяется по всей ее поверхности. Поэтому сидящая на яйцах курица не расплющивает их, но в то же время удары вылупляющегося птенца изнутри сравнительно легко разрушают его обитель.

Скорлупа куриного яйца состоит из семи оболочек, причем они не расслаиваются даже при резких перепадах температуры и влажности. Это объясняется тем, что хотя слои не одинаковы по составу, некоторые их физические свойства весьма близки. Важный элемент скорлупы – тонкая внутренняя пленка, порой мешающаяся нам добраться во время еды до сердцевины яйца.

Эта пленка в свое время здорово помогла строителям. Они возводили театр, крыша которого должна была иметь форму огромной яичной скорлупы. Во время строительства по крыше пошли трещины. Что же здесь упустили проектировщики? Или природа «дала маху»?

Изучив скорлупу более тщательно, заметили, что к ней «крепится» изнутри тонкая эластичная пленка, создающая предварительное напряжение, как бы стягивая всю конструкцию скорлупы. Выход из сложного положения был найден: крышу снабдили подобной пленкой, и театр благополучно достроили.

Теперь уже не вызывают удивления ни давно используемые арочные конструкции, ни сравнительно недавно вошедшие в обиход строителей гигантские сплошные своды, напоминающие формой яйцо.

Но скорлупа – всего лишь один из образцов прочных природных оболочек.

Чем хороши складки?

Кроме куриного яйца, к естественным оболочечным конструкциям относятся, как упоминалось, и яйца других птиц, а также земноводных. Сюда же следует зачислить и твердые оболочки орехов, панцири черепах, крабов, раковины моллюсков. Да и многие насекомые могли бы похвастать крепостью своей кутикулы – так называется их внешний скелет.

Однако все это гладкие поверхности. Но в природе встречаются и обладающие большой прочностью оболочки несколько иной формы. Например, некоторые раковины напоминают развернутый складчатый веер. Эту форму не обошли своим вниманием архитекторы, издавна используя ее как деталь свода. Подобная форма представляет собой набор соединенных между собой маленьких выпуклых поверхностей, даже по отдельности выдерживающих, как та же скорлупа, большие внешние воздействия.

Чем же хороши складки? Обычный бумажный лист легко гнется даже под своим весом. Однако если мы сложим лист гармошкой, его прочность возрастет. Даже просто согнутый пополам (в виде крыши домика) лист сможет выдержать большие, чем плоский лист бумаги, нагрузки. Стоит ли говорить о том, насколько жестче он станет при сворачивании в трубочку.

Хороший пример, дающий почувствовать изменение жесткости конструкции, – «охота» на мух. Вы хотите прихлопнуть непрошеную назойливую гостью, а под рукой нет ничего, кроме газеты. Что вы предпримете? Не будете же шлепать развернутым листом! Такой удар насекомое и не почувствует. Невольно руки сами складывают или скручивают газету, – теперь уж мухе не поздоровится.

Понятно, что архитекторам приходится решать задачи гораздо сложнее этой. Однако они уже неплохо научились использовать складчатые формы. Конструкции выставочных павильонов, зданий аэропортов, театров носят на себе явный отпечаток природных аналогов – и не только створок раковин, но и свернувшихся опавших листьев, еще не потерявших упругости.

Припомните рассказ о надкрыльях жуков. Прожилки, которыми они, как и крылышки многих других насекомых, пронизаны, играют роль арматуры – железных прутьев, укрепляющих бетон. Такую же роль выполняют прожилки зеленого листа. Использовав его «конструкцию», удалось перекрыть без опор стометровый пролет, причем толщина рукотворного «листика» составила всего 4 сантиметра.

Все это – примеры подражания отобранным длительной эволюцией конструкциям, в которых необычайно высокая сопротивляемость нагрузкам достигается при крайне малых затратах строительного материала.

Кто изобрел дырчатые купола?

Прочные природные конструкции не всегда представляют собой сплошные оболочки – гладкие, как, например, у яйца, или складчатые, как у раковины. Мы уже говорили о паутинах и решетчатых внутри надкрыльях насекомых, которые также обладают завидной крепостью. Правда, они не были замкнутыми поверхностями, такими, скажем, как шарообразная скорлупа ореха.

Человек догадался сооружать купола и различной формы выпуклые перекрытия из ажурных – дырчатых – конструкций. При этом создавался как бы внешний, вынесенный наружу, «просвечивающий» скелет, а изнутри к нему крепились уже легкие сплошные конструкции.

Интересно, что среди возможных вариантов подобного рода сооружений были и обладавшие особой устойчивостью. Их форма была найдена американским архитектором и инженером Бакминстером Фуллером. Ее назвали геодезическим куполом, и стали широко применять при проектировании зданий. Один из таких куполов можно увидеть на рисунке слева.

Сам Фуллер указывал, что все подобные конструкции представляют собой сеть из пяти– и шестиугольников. Но еще в XVIII веке знаменитый математик Леонард Эйлер рассчитал, что для образования замкнутой сферической фигуры необходимо иметь двенадцать пятиугольников, а число шестиугольников может меняться в широких пределах. Скажем, в оболочке одной из разновидностей современного футбольного мяча можно найти двадцать шестиугольников.

Прошло не так уж много времени с начала использования в архитектуре геодезических куполов, как в природе были открыты так называемые фуллерены – состоящие из атомов углерода молекулы, форма которых в точности повторяла очертания этих куполов. Тем самым была обнаружена еще одна, помимо алмаза и графита, форма существования углерода. Вариант структуры этой молекулы представлен на рисунке справа. Сравните!

Сейчас ученые разных стран исследуют фуллерены. Необычная структура молекул, определяющая их устойчивость, объясняет и многие новые свойства построенного из них вещества.

Как видите, в данном случае человек самостоятельно подобрал строительные конструкции, которые, как выяснилось чуть позже, природа успела изобрести. Этот факт тем более ценен, что вновь подтверждает сходство результатов бессознательного и разумного поисков, – вопрос лишь в том, сколько на тот и другой уходит времени.

Какие домики у планктона?

Впрочем, ажурные замкнутые структуры природа создала отнюдь не только на молекулярном уровне. Во много раз более крупные объекты – простейшие организмы – она также давно научилась заключать в ячеистые панцирные оболочки.

Взгляните на рисунок, где показаны всего лишь три вида подобных оболочек из нескольких тысяч вариантов, созданных природой для населяющих океан микроорганизмов. Это «раковинки» представителей фитопланктона и зоопланктона, построенные из крепчайших соединений кальция и кремния.

Эрнст Геккель (1834–1919) – немецкий ученый, один из крупнейших биологов XIX века Автор книги «О радиоляриях». Изобразил первое родословное древо всех живых существ, установил закономерность: каждый организм в своем индивидуальном развитии повторяет стадии развития предков. Распространял законы живой природы на человеческое общество, которое сравнивал с живым организмом.

На необыкновенное разнообразие этих естественных конструкций, нередко называемых шедеврами природы, обращал внимание инженеров известный немецкий естествоиспытатель Эрнст Геккель. При изучении этих простейших существ очень важны два момента – структура раковины, обеспечивающая надежную защиту, а также поразительная экономия материала при построении защитной оболочки.

Исследуя строение панцирей радиолярий и других простейших, архитекторы и конструкторы разработали различные ячеистые конструкции, которые могут быть использованы при строительстве зданий и возведении мостов и плотин.

Мы уже говорили о том, что сплошные конструкции испытывают дополнительную нагрузку от собственного веса. Ячеистые замкнутые оболочки имеют значительно меньший вес, сохраняя при этом удивительную прочность. Все дело в характере взаимного расположения ячеек и ребрышек таких решеток. На рисунке показаны обладающие высокой прочностью хитроумные формы этих конструкций, которые природа путем многократных проб смогла создать задолго до человека.

Кстати, присмотревшись к изображению радиолярии, вы обнаружите, что ее кремниевый скелет как будто бы составлен из различных геометрических фигур. Любопытно, что на изображениях этих существ, сделанных в начале нашего века, можно видеть и пяти-, и шестиугольники. Иными словами, некоторые из радиолярий – не что иное, как «живые фуллерены»! Еще один ошеломляющий пример совпадений…

В чем жить на океанском дне?

А какие архитектурные идеи позаимствовал человек у морских организмов для обеспечения своего пребывания под водой? Ведь пока мы говорили лишь о том, что некоторые оригинальные формы оболочек морских обитателей он с успехом использовал на суше. Однако природа заботилась о них, учитывая среду, в которой эти организмы находятся, – океанские глубины. Немудрено, что, как только человек поставил задачу долгого пребывания под водой, он начал внимательно присматриваться к тем, для кого условия подводного пребывания были обыденными.

Однако при разработке формы аппаратов, в которых люди опускались все глубже и глубже, следовало использовать «достижения» не только движущихся под водой или зависающих в ее толще существ. Важнее обратиться к обитателям морей и океанов, живущих на дне, тем более когда встал вопрос о создании стационарных подводных поселений.

Посмотрите на конструкцию лаборатории «Преконтинент II», в которой работали акванавты под руководством знаменитого исследователя подводного мира Жака Ива Кусто. Она находилась на глубине одиннадцати метров вблизи кораллового рифа в Красном море. Легко заметить, что по своим очертаниям этот воистину подводный дом напоминает морскую звезду. Крупная американская подводная станция «Силэб», рассчитанная на размещение сорока акванавтов на глубине двухсот метров, схожа по виду с распластавшимся на дне осьминогом. Выпуклые формы, прочный корпус, большое давление закачиваемой внутрь станции дыхательной смеси позволяют выдержать внешнее давление.

Огюст Пиккар (1884–1962) – швейцарский физик, стратонавт и акванавт. Совершил рекордные подъёмы на аэростате собственной конструкции и погружения в океан на сконструированном им батискафе. Предложил отказаться от использования стали для подводных аппаратов и перейти к пластикам, а также изготовлять корпуса глубоководных кораблей и лабораторий из сферических многогранников.

Подобное подражание природным формам позволит, видимо, будущим исследователям обеспечить себе наиболее подходящие условия для обитания и на еще больших глубинах. Не зря же за месяц пребывания под водой исследователям с «Преконтинента» удалось выполнить огромный объем работ. «Море стало нашим домом», – вспоминали акванавты. Это ли не лучшая оценка их подводному жилищу!

Почему так красива бабочка?

Легко заметить, что при создании многих архитектурных сооружений на замысел зодчего влияла природа. И дело не только в том, что она подсказывала наиболее экономные решения и предлагала прочные конструкции, но и в ее сильном эстетическом воздействии. Как часто нас буквально завораживает великолепие природных объектов, и мы удивляемся, каким тонким художником может быть природа.

Важно, что внешняя красота созданных ею форм неразрывно связана с их целесообразностью. Иными словами, грубые, тяжеловесные, неуклюжие растения и животные, как вы уже убедились, нередко оказываются и менее приспособленными к жизни в меняющихся условиях. А изящная архитектура живого всего лишь отражает долгий путь перебора различных вариантов, в результате которого выиграли – выжили – именно те существа и организмы, которые сегодня радуют наш глаз.

Самые привлекательные архитектурные сооружения часто обладают симметрией. Припомните виденные вами старинные усадьбы или церкви, дворцы или высотные здания. Их правая и левая стороны, как правило, представляют собой зеркальные отражения друг друга.

А разве не такие же решения реализовала природа в сверкающих кристаллах, об удивительной симметрии которых писали еще в древности? Однако не только в мертвом мире камней нашли свое место различные виды симметрии. Примеры ее зеркального варианта мы можем найти и в формах листьев, и в очертаниях множества живых существ – скажем, бабочек.

Но природа была бы слишком незатейлива, если бы ограничилась только этой простейшей формой повторения или подобия. Еще не совсем ясно, почему порой она такую симметрию нарушает. Например, некоторые виды вьющихся растений при росте закручиваются вокруг опоры по часовой стрелке, другие – против. Так же – по часовой или против часовой стрелки – «завернуты» раковины некоторых моллюсков (соответственно «правши» и «левши»), причем «правшей» оказывается намного больше, чем «левшей». Разницу в их количестве можно обнаружить даже в мире бактерий.

Эти и подобные им нарушения симметрии используют и архитекторы. Вот, к примеру, луковицы куполов на соборе Василия Блаженного не привычно гладкие, а «скрученные», что вносит живость и разнообразие в его внешний вид.

Таким образом, подсказанные природой варианты различных симметрий и отступлений от них ведут к богатству создаваемых человеком архитектурных форм.

Как освещаются початки?

В начале этой главы мы уже отмечали связь между ростом растения, с одной стороны, и земным тяготением и светом – с другой. Но мало просто отметить эту связь, хорошо бы ею воспользоваться.

Действительно, можно было бы, например, попытаться построить дом, подобный подсолнечнику, чтобы весь световой день получать в своей квартире наибольший поток солнечных лучей. Но представьте, насколько сложной оказалась бы конструкция такого здания. К тому же его обратная сторона постоянно находилась бы в тени.

Если поставить задачу не получения максимума световой энергии, а просто более равномерного освещения разных сторон здания, то и здесь можно найти примеры природных решений.

Вам хорошо известны колосья злаковых культур или кукурузные початки. Выпуклые зерна в течение дня получают примерно одинаковую порцию света за счет того, что перемещающееся по небосводу солнце постоянно касается их своими лучами. (Это аналогично тому, как если бы вы неподвижно сидели на месте, а кто-нибудь обходил вокруг вас с зажженной лампой, облучая ваше лицо более или менее равномерно со всех сторон.)

Климент Аркадьевич Тимирязев (1843–1920) – российский естествоиспытатель, основоположник отечественной школы физиологов растений. Начал исследования проблемы фотосинтеза – процесса питания зеленых растений при помощи световой энергии, – в решение которой внес огромный вклад. В начале XX века прочел знаменитую лекцию «Космическая роль растения», говоря о растениях как об основе существования всего животного мира на Земле.

Такое выгодное расположение зерен, когда они как можно меньше мешают друг другу получать свет и тепло, натолкнуло архитекторов на мысль о проектировании жилых домов в форме кукурузных початков. Удобство этого технического решения заключалось еще и в том, что все коммуникации – провода электропитания и телефонной связи, водопроводные трубы и канализация, а также лифт – помещаются в одном стволе. Разве это не напоминает деревья и колосья, в которых все питательные вещества «подаются» по стволам или стеблям, а потом распределяются по веточкам к листьям и плодам?

Более ста лет назад наш выдающийся ученый К. А. Тимирязев отмечал: «Роль стебля, как известно, главным образом архитектурная… Именно на стеблях узнали мы целый ряд поразительных фактов, доказывающих, что они построены по всем правилам строительного искусства».

Эти конструкции вызвали большой интерес архитекторов, и здания-стволы или здания-початки сегодня можно встретить в самых разных странах мира.

Когда поднимут солнечные паруса?

Всего лишь за несколько последних десятилетий в зодчестве возникло такое направление, как космическая архитектура. В середине пятидесятых годов прошлого века на орбиту вокруг Земли был выведен первый искусственный спутник. Диаметр этого шарика составлял всего несколько десятков сантиметров.

Теперь же в космосе находятся тысячи объектов, в том числе обитаемые корабли, спутники связи с огромными передающими антеннами и даже орбитальные телескопы. Проектируются новые станции для долговременного пребывания людей, а также совершенно необычные межпланетные корабли, которые будут двигаться под действием солнечного ветра.

Казалось бы, что может подсказать здесь живая природа? Ведь в условиях космоса нет природных объектов, которые могли бы поделиться своими секретами с космическими строителями. Но это только на первый взгляд.

Во-первых, эти условия можно имитировать, погружая корабли и космонавтов в воду. Помните разговор о борьбе с перегрузками? Кстати, тренировки будущих космонавтов как раз и происходят в огромных бассейнах. Там отрабатываются действия, которые затем придется повторять уже на орбите, в невесомости, в том числе и монтаж конструкций. А многое для их ажурных, сетчатых, дырчатых, пленочных форм вполне можно позаимствовать, как вы уже знаете, у пауков, жителей морей и океанов или растений.

Во-вторых, существует проблема доставки конструкций на орбиту с Земли. Ведь одним махом забросить в космос гигантское сооружение невозможно. Поэтому надо доставлять элементы станции частями, производя сборку в условиях открытого космоса.

Однако здесь можно использовать легкие и прочные материалы, сложенные и плотно упакованные на Земле и разворачивающиеся в космосе. Может быть, вы читали рассказ Виталия Бианки «Как муравьишка домой спешил». В нем упоминается жук, расправлявший свои тоненькие крылышки, сложенные под жесткими надкрыльями. Это прекрасный пример упаковки довольно протяженной прочной конструкции в малом объеме.

Так что и в совсем непривычных для землян условиях можно воспользоваться тем, что придумала природа. И похоже, что таких необычных задач и нетрадиционных методов их решений со временем будет становиться все больше.

Легко ли строить под землей?

Спустимся теперь с космических высот в «подземное царство». Несмотря на то, что человек давно уже создавал убежища, рыл ямы, землянки, строил подвалы и погреба, он не очень хорошо представлял себе мир подземных строителей.

Но когда масштабы подземных работ возросли, волей-неволей пришлось задуматься, как природа справляется с подобными задачами. Ведь вручную рыть огромные котлованы для подземных гаражей, магазинов и складов, прокладывать тоннели для метрополитена и различных трубопроводов просто невозможно.

И тут вспомнили о таких великолепных землекопах, как кроты. Эти почти слепые существа прекрасно приспособлены для жизни под землей, причем прокладывают в ней ходы со скоростью до тридцати сантиметров в минуту. Своими лопатообразными лапами с мощными когтями крот разрыхляет грунт и отгребает его вбок и назад. Причем, хотя мы видим иногда горки вытолкнутой кротом наружу земли, большей частью он ее не выбрасывает, а утрамбовывает ею стенки тоннелей.

Еще более интересным подземным жителем оказался так называемый голый землекоп – африканский грызун, открытый биологами полтора века назад. Эти животные не имеют ничего общего с кротами, ведут не уединенный образ жизни, а обитают под землей целыми колониями.

Функции между этими существами строго разделены. Ходы они роют, выстраиваясь цепочкой, причем когда самое первое животное вгрызается в твердую почву и разрыхляет ее, остальные по очереди транспортируют ее к отверстию, выгружая на поверхность. Самый настоящий живой конвейер!

Эти невзрачные грызуны, иногда шутливо называемые учеными саблезубыми сосисками, обладают поразительной особенностью: четверть массы их мускулатуры сосредоточена в области челюстей. Благодаря этому они могут своими огромными резцами прогрызать не только твердый грунт, но даже толстый пластик и бетон. В общем, голый землекоп – неплохой пример для подражания.

Упомянем еще ящерицу – ушастую круглоголовку. Известно, что она способна исчезать из поля зрения своих врагов, мгновенно погружаясь в песок. Оказалось, что ящерица достигает этого, заставляя свое тело вибрировать. Силы сцепления между песчинками при вибрации резко ослабевают, и песок становится словно бы жидкостью, в которую ящерица погружается.

Пятьдесят лет назад люди догадались применить этот способ при забивании свай. Вибрирующий рельс десятиметровой длины под действием только собственной тяжести входит в грунт, как нож в масло.

Отметим, что подземные машины, работающие по принципам, подсказанным животными, уже изготовлены. Известна, например, конструкция отечественных инженеров, в основу которой была положена «работа» крота – так называемый подземоход. Однако и создать такие машины оказалось нелегко, и по производительности они уступают своим природным аналогам. Пока здесь человек применяет несколько иные, так сказать, искусственные технические решения. Вновь мы вынуждены признать: нам еще есть чему поучиться у природы…