Результаты бионических исследований в технических устройствах

А во-вторых, в живой природе  постоянство форм и структур биологических  систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается "за кадром". Бионика наступает. Быстрее, выше, сильнее!

Изучение гидродинамических особенностей строения китов и дельфинов помогло  создать особую обшивку подводной  части кораблей, которая обеспечивает повышение скорости на 20–25% при той  же мощности двигателя. Называется эта обшивка ламинфло и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет эластично-упругую структуру, что устраняет турбулентные завихрения и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением. Такой же пример можно привести из истории авиации. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер — внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за этих вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход — крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое время аналогичные утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы. Новые принципы полета, бесколесного движения, построения подшипников и т. д. разрабатываются на основе изучения полета птиц и насекомых, движения прыгающих животных, строения суставов.

Особенно следует подчеркнуть  значение рождённого в практике бионических исследований специального подхода к организации и ведению научного исследования - бионического подхода. Он возможен в любом техническом исследовании. Бионический подход - это искусство применения биологии для небиологических целей. Бионический подход в научном исследовании в современных условиях лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры. Дружная работа различных специалистов, преодоление профессиональных "перегородок", выработка понимания друг друга с полуслова, создание единых методов работы - всё это, как правило, помогает решать трудные задачи. Постоянные поиски сравнений интересующего объекта, явления, процесса, свойства, характеристики и т.д. с чем-то подобным в живой природе, скрупулёзный анализ найденных аналогий и связей, границ их применимости - в этом существо бионического подхода. Работа на стыке наук и особенно в непосредственной связи с биологией - столбовая дорога развития всех разделов современной науки, техники и практического производства.

Глава 2 .Некоторые  результаты исследований.

История науки и техники  изобилует примерами, когда процесс  в той или иной области приостанавливался, а разрешение трудной проблемы приходило  со стороны, путем заимствования  новых исходных начал из других областей знаний. В последние десятилетия все большее признание получает творческое содружество биологов с инженерами, математиками, физиками и химиками. Биологи собирают исходные данные, которые отбирают, обобщают, проверяют и интерпретируют специалисты в других областях науки. На этой основе возникла новая наука – бионика.

Природа в результате длительного  отбора целесообразных форм и методов  достигла результатов, о которых  человек пока может лишь мечтать. До сих пор он не сумел создать  конструкций, повторяющих принципы живых существ, - ни в сухопутном транспорте (нога), ни в авиации (машущее крыло), ни в судостроении (перемещение за счет волнообразных движений хвоста и туловища). Гребной винт – изобретение человеческого ума – природа не сочла достаточно эффективным и не снабдила им ни одного из морских обитателей. И не ошиблась. Ведь по своей эффективности движительные комплексы рыб и морских животных значительно превосходят самые совершенные гребные винты. Академик В. В. Шулейкин, исследуя движение рыб, вычислил, что КПД их движительного комплекса достигает 65 – 83%.

Кораблестроители проявляют особый интерес к науке, занимающейся раскрытием гидробиологических закономерностей  и использованием их в практике. Это направление, возникшее на стыке  классической гидродинамики, с одной стороны, и биологии, с другой, и получившее название гидробионики, все громче заявляет о себе. Одним из основных направлений гидробионики является разработка рациональных форм и методов снижения сопротивления тел, движущихся в водной среде, и новых движительных комплексов.

С древнейших времен судостроители  обращали внимание на морских обитателей, заимствуя в них формообразования, но подражание носило число интуитивный  характер. Ученые наших дней знают, что различные формы тел рыб  и морских животных подчинены определенным математическим правилам. Строение головы, форма хвоста, плавников – все у обитателей рек, морей и океанов соответствует способу и скорости передвижения. Профиль одной из самых быстроплавающих рыб – тунца – приближается к ламинаризированному профилю, найденному теоретически и экспериментально в аэродинамических лабораториях. А зачем бивень меч-рыбе? Возможно, он необходим для соответствующего обтекания ее тела струями воды. Ведь скорость меч-рыбы достигает 70 уз. На этом основании исследователи предполагают образование на кончике меча кавитационной каверны, охватывающей переднюю часть туловища. Бивень как бы "организует" каверну и восстанавливает плавное обтекание струйных потоков вокруг тела рыбы.

Одним из "учителей" кораблестроителей стал дельфин, отдельные виды которого способны развивать скорость до 25 уз. Наблюдались случаи, когда дельфин сталкивал с курса торпеду, как бы вызывая ее на состязание. Но дело не в абсолютной величине скорости животного. В 1936 г. английский зоолог Джеймс Грей установил, что сопротивление дельфина при его движении в воде, рассчитанное обычным для судостроения способом, оказывается в 8 – 10 раз больше того, которое способна преодолевать мускулатура животного. Ведь мышечная сила у всех млекопитающих, в том числе и китообразных, в пересчете на килограмм массы мышц примерно одинакова. Напрашивается вывод, что каким-то весьма эффективным способом дельфин снижает сопротивление своего туловища. Это несоответствие, получившие название "парадокс Грея", заставило начать работы в направлении, которое недвусмысленно подсказал сам профессор:

“Природа сконструировала  дельфина много совершенней, чем  человек подводную лодку или  торпеду.”

В попытках разгадать "секрет дельфина" высказывались различные предположения. Большинство сходилось в том, что дельфин благодаря своей гладкой и эластичной коже в сочетании с жировым слоем демпфирует возмущения воды и тем самым создает вокруг себя ламинарный пограничный слой, снижая сопротивление. Механизм ламинаризации объясняли следующим образом: кожа животного представляет собой гладкую эластичную диафрагму, чувствительную к колебаниям давления, которые имеют место в пограничном слое, обтекающем дельфина. Под диафрагмой находятся каналы, наполненные жидкостью, которая, свободно перемещаясь в них под воздействием кожи-диафрагмы, действует как демпфер, поглощая часть кинетической энергии турбулентного потока и тем самым ламинаризируя пограничный слой.

Высказывалось мнение, что для значительного  уменьшения сопротивления кожа дельфина должна не пассивно, а активно демпфировать возмущения в пограничном слое, для чего существует какой-то физиологический процесс, способный управлять изменениями свойств кожи. Известный французский исследователь океана профессор О. Пикар высказал предположение, что нервные окончания в кожном покрове морских животных улавливают изменение давления, предшествующее переходу ламинарного режима обтекания в турбулентный, и через центральную нервную систему передают соответствующие сигналы на демпфирование кожи.

Кожа дельфина в передней части его туловища (особенно хорошо обтекаемой) почти не имеет кровеносных  сосудов, в то время как к хвостовой  части (где обычно возникает турбулентность и растет сопротивление) количество кровеносных сосудов постепенно возрастает. В связи с этим существует версия, что усиленная циркуляция крови пульсирующего характера в хвостовой части животного как бы демпфирует поверхность, уменьшая турбулентность потока.

 
 
Схема покрытия типа "кожа дельфина"

Некоторые специалисты  считают, что большая часть туловища дельфина участвует в создании движущей силы, т. е. туловище животного одновременно выполняет функции корпуса и  движителя. В момент резких ускорений  на коже возникают волнообразные складки, распространяющиеся от головы к хвосту, которые называют бегущей волной. При этом как бы сбрасываются возникающие турбулентные вихри, и снижается сопротивление. Но для образования бегущей волны необходимы мускульные усилия. Следовательно, управляющая кожей дельфина мускулатура должна непрерывно работать и постоянно находиться в напряжении, что изнурительно для животного. Исследователи осуществили оригинальный эксперимент, в котором участвовали профессиональные пловчихи и дельфины средней величины. Контуры тела женщины плавные, что вызвано особенностями костно-мышечного аппарата и сравнительно большим слоем подкожного жира. Под слоем жировой клетчатки и у дельфинов, и у женщин залегают локомоторные мышцы. Спортсменок буксировали под водой с разной скоростью. Испытания фиксировались на кинопленку. Обнаружилось, что при скорости свыше 4 уз на торсе и бедрах пловчих появлялись волнообразные складки. При снижении скорости складки исчезали. Известно, что у человека нет никаких специальных мышц для движения кожи и сама кожа для этого не приспособлена. Следовательно, волнообразные складки на теле спортсменок образовались под влиянием гидродинамического воздействия. Из эксперимента следовало, что мускулатура дельфина не принимает участия в образовании бегущей волны.

Интерес к скоростям  качествам морских обитателей не ограничился предположениями и  опытами. Одним из первых в 1938 г. немецкий ученый М. Крамер предложил обеспечивающее ламинарное обтекание корпуса покрытие, имитирующее наружный покров тюленей, для чего разместил на поверхности покрытия тонкие упругие проволочки, расположенные очень близко одна к другой и ориентированные вдоль набегающего потока. Крамер предполагал, что демпфирование турбулентных пульсации в пограничной слое будет осуществляться за счет сил трения между водой и проволочками. Опыты были прерваны с началом второй мировой войны. Позже Крамер сосредоточил внимание на изучении движения дельфинов с целью уменьшения сопротивления ракет и торпед. В последние два года существования фашисткой Германии он возглавлял исследовательскую станцию управления ракетами и с небезызвестным В. Фон Брауном принимал участие в создании ракеты "ФАУ-2". Оказавшись после войны в США, Крамер продолжил исследования, направленные на создание покрытия для подводных лодок и торпед, названного "кожей дельфина".

Покрытие представляло собой сложную резиновую оболочку толщиной около 2 мм с гладкой наружной поверхностью. Внутренняя сторона оболочки множеством расположенных в шахматном  порядке резиновых столбиков соединялась с внутренним слоем резины такой же толщины, наклеенным на поверхность корпуса подводной лодки. Пространство между столбиками, представляющее собой множество капиллярных сосудов, заполнялось органической жидкостью с относительно большой вязкостью. По замыслу Крамера, пока режим обтекания в пограничном слое будет ламинарным, покрытие должно вести себя как жесткая поверхность, при этом демпфирующая жидкость находится в покое, а поверхность диафрагмы остается гладкой. При возникновении в пограничном слое колебательных или волновых движений на гребне и впадине волны появится разность давлений, что вызовет распространение волнообразования вдоль покрытия и колебания резиновой оболочки, а через нее и демпфирующей жидкости. При этом турбулизация пограничного слоя должна снижаться, а вернее, переход ламинарного режима обтекания в турбулентный будет отодвигаться в область больших скоростей подводной лодки.

По аналогичному принципу было разработано покрытие "ламинофоло", применение которого на торпедах позволило без изменения мощности двигателя увеличить их скорость в 1,5 – 2 раза.

О применении покрытия Крамера  на подводных лодках не сообщалось. Можно предполагать, что на пути реализации этой идеи возникли значительные технические трудности, связанные с тем, что в отличие от торпеды – оружия одноразового использования, движущегося к цели с постоянной скоростью, в условиях подводного корабля покрытие должно быть эффективным в интервале его скоростей, а следовательно, в соответствующей полосе частот, на которые оно и должно настраиваться с учетом турбулентности набегающего потока, местных возмущений и различных гидродинамических помех.

Существует мнение, что  кожный покров дельфина обладает такими особенностями, которые свойственны  лишь живой активной оболочке, и если гидродинамическое сопротивление дельфина при прочих равных условиях в несколько раз меньше, чем у твердого тела, то это, по-видимому, является результатом комплексного влияния еще не раскрытых специфических особенностей гидродинамики живого организма в целом (формы тела, нестационарности его движения, демпфирующей способности кожного покрова, гидрофобности кожи и т. д.). Но, несмотря на подобные взгляды, моделирование активного действия, характерного для кожного покрова морских животных, продолжает рассматриваться как одна из перспективных проблем кораблестроения.

Определенные надежды  специалисты по гидробионике связывают  с так называемым нестационарным движителем, создающим тягу колебаниями  несущей поверхности, имеющими конечную амплитуду, подобно движению хвостового плавника или туловища морского обитателя. Некоторые исследователи считают, что принцип нестационарности движителя, по-видимому, и лежит в основе экономичности передвижения рыб и морских животных, так как они совершают туловищем и плавниками сложные изгибо-крутильные колебания, согласованные между собой таким образом, что при равномерном поступательном движении затрачивается очень небольшое количество энергии.