А кто из ныне обитающих на Земле четвероногих самый быстрый? Это, без сомнения, гепард — дикая кошка, способная развивать скорость до 100 километров в час. Необыкновенно изящен его бег: гепард словно вытягивается в стрелу, стремительно несущуюся над землей. Исследователей давно интересовало, как удаются животным столь быстрые движения. Совсем недавно благодаря раскопкам обнаружены следы динозавров, оставленные ими во время охоты. Расчеты показали, что даже самые быстрые из них вряд ли превосходили в скорости скаковую лошадь, а наиболее крупные бегали примерно так же «резво», как и современные носороги. (Это, кстати, не так уж и мало: носорог может догнать быстро бегущего человека.) Тем не менее впечатление о неуклюжести и малоподвижности крупных животных подтверждается простыми вычислениями. Если бы все размеры животного увеличились, скажем, в 5 раз, то его масса возросла бы в 125 раз. Для того чтобы удержать такую махину, кости должны были бы увеличиться непропорционально, то есть их толщина изменилась бы не в 5, а примерно в 11 раз. На это обратил внимание еще знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей: «Достигнуть чрезвычайной величины животные могли бы только в том случае, если бы кости их изменились, существенно увеличившись в толщину, отчего животные по строению и виду производили бы впечатление чрезвычайной толщины». Итак, ясное представление о действии законов механики позволило понять, почему наземные животные не достигают «великанских» размеров. Из-за своей неповоротливости они оказались бы нежизнеспособными. Подсчеты современных ученых говорят, что животное массой больше 100 тонн не может существовать в условиях земной гравитации. И впрямь, сегодня мы видим, что самым крупным сухопутным животным оказывается не такой уж огромный слон. А как же кит, масса которого во много раз превышает массу слона? Дело в том, что на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая (архимедова) сила. То есть вода как бы ослабляет действие земной гравитации, позволяя киту и другим обитателям морей и океанов достигать огромных габаритов при относительно тонких костях скелета. Правда, подвижность и большие скорости движения связаны не только с размерами животных, но и со способом крепления их мышц к костям. Еще в XVII веке естествоиспытатели разобрались в кажущейся неэффективности их соединения. На рисунке той поры можно увидеть, что сокращение двуглавой мышцы плеча приводит к усилиям, многократно превышающим вес поднимаемого груза. Но природа позаботилась о другом: проигрывая в силе, мы, как и другие животные, выигрываем в скорости перемещения. Мышцы не могут быстро сокращаться, однако их небольшое перемещение вызывает заметное передвижение всей конечности. Подумайте, что важнее: развивать большую скорость, обладать подвижностью, свободой перемещения или всему этому предпочесть одну неповоротливую силу? Природа сделала свой выбор, и человек следует ему при создании быстроходных механизмов.
Кому из вас не приходилось мечтать о семимильных сапогах, которые не раз встречаются в сказках! А может быть, вы видели фантастический фильм «Прибытие», где инопланетные существа, внешне ничем не отличающиеся от людей, неожиданно могли менять форму ног и скакать, как кузнечики — коленками назад? (Кстати, высота прыжка кузнечика достигает 5 метров.) Что ж, и такую экзотическую возможность передвижения не упустили из виду изобретатели. Кого вы назовете, если вас спросят о животных, умеющих прыгать? Скорее всего, зайца или кенгуру. Способность двигаться прыжками, отталкиваясь и приземляясь на крепкие задние ноги, обеспечивается очень четким согласованием наклонов туловища и перемещением нижних конечностей. Такое движение, оказывается, возможно осуществить и технически. Не так давно был популярен спортивный снаряд, напоминающий своими очертаниями букву «Т». На его основании укреплялась пружина, опирающаяся на подобие копыта. Такая конструкция позволяла человеку, держась руками за верхние концы перекладины, довольно резво прыгать, правда, после некоторой тренировки. А теперь вообразите, что вместо человека на похожем устройстве устанавливается автоматическая система регулирования наклона и силы толчков. Эта машина, умеющая сохранять равновесие только в процессе пры-гания — в динамике, в движении, была создана и очень напоминала своим «поведением» кенгуру. Следующим шагом стало появление механизма, который опирался на пружинящие складные «ноги» и уже не только приблизился внешне и по способу перемещения к кенгуру, но и превосходил его по коэффициенту полезного действия. Иными словами, подобная конструкция была более экономной в расходовании сил, нежели ее природный аналог. Она могла бы пригодиться не только для спорта или развлечений. Так в нашей стране была построена вполне работоспособная модель прыгающего автомобиля. Вращающиеся внутри его опор грузы то прижимали их к земле, то приподнимали. При определенной скорости вращения опоры-башмаки начинали подпрыгивать, совершая при этом небольшие перемещения вперед. Такой автомобиль довольно плавно двигался, легко останавливался, но, к сожалению, сильно вибрировал. Впрочем, поиски новых вариантов прыгающих машин не прекращаются. Конструкторам не дают покоя поразительные возможности живых организмов. К примеру, древесные кенгуру, проводящие большую часть времени на деревьях, способны безбоязненно прыгать на землю с высоты 18 метров! Что уж говорить о блохе, которая может без устали скакать трое суток, совершая до 600 прыжков в час! Сравнительно недавно ученые установили, как действует этот природный «механизм», позволяющий при взлете достигать гигантских ускорений — в 30 раз больших, чем испытывают космонавты при запуске ракеты с Земли! В общем, здесь живой мир дает рукотворному, как говорится, большую фору...
Почему такое внимание инженеров и конструкторов привлекают способы хождения? Потому что, как это ни странно, легче оказалось построить самолеты и подводные лодки, чем эффективно работающие ходячие машины. Но зачем они нужны, спросите вы, если изобретены и отлично действуют машины колесные и гусеничные? Зачем мучиться, когда создано столько видов автомобилей, тракторов и танков? Дело в том, что далеко не все из них могут двигаться по мягкому грунту, преодолевать рытвины и ухабы на пересеченной местности. Поэтому в промышленности и строительстве, в сельском хозяйстве и военном деле могли бы найти применение машины на ножных опорах. Они могут пригодиться и в будущих исследованиях других планет. Ведь такие машины могли бы выбирать точки для лучшей опоры, регулировать крен и перешагивать через препятствия. Чтобы они отвечали всем этим требованиям, нужно было очень внимательно исследовать способы устойчивой ходьбы. Обращение к четвероногим животным, например лошадям, выявило, что они не лучший образец для подражания. Ведь для сохранения равновесия во время неторопливого движения им необходимо в каждый момент иметь минимум три точки опоры, не лежащие на одной прямой. Взгляните на стул или табурет и представьте, что он начал двигаться. Сколько ног он сможет одновременно приподнять при медленной ходьбе? Наверняка вы почувствуете сложность задачи, которую приходится «решать» той же лошади. Она выходит из трудного положения благодаря постоянному переносу центра тяжести в зону устойчивого равновесия, образованную ногами-опорами. Лошади, как и многие другие четвероногие, могут бегать. При этом в какие-то моменты все четыре ноги отрываются от земли. Но такой способ перемещения, при котором быстрые движения ног не позволяют постоянно «падающему» животному свалиться, для неспешно ходящих машин не годится. После многочисленных попыток создания так называемых стопоходящих машин был выбран иной, но тоже подсказанный природой вариант. Наиболее подходящей «моделью» оказались шестиногие насекомые, на- пример тараканы, или восьминогие пауки. Попеременное передвижение лапок таракана «по три» позволяет опирающимся на землю конечностям поддерживать необходимое равновесие. Именно над созданием подобных многоногих управляемых человеком или автономных машин-роботов работают сегодня конструкторы. Одной из них, вполне удачной и очень необходимой, стала модель робота,способного передвигаться внутри ядерных установок или трубопроводов. Еще одна сфера применения многоногих устройств — их использование вместо саперов для обезвреживания огромного количества мин, остающихся в зонах военных конфликтов.
Пафнутий Львович Чебышев (1821—1894) — российский механик и математик. Знания, накопленные при создании теории машин и механизмов, использовал при конструировании уникальных устройств, в том числе — «стопоходящей машины», изображающей движение ног лошади, и «гребного механизма», имитирующего движение рук гребца.
Истории, подобные открытию «кульбитов» гидры, происходят и поныне. Мы привыкли, что слово «ходить» всегда связано с наличием твердой поверхности. Однако мало кто знает о существовании очень древних маленьких рачков, живущих на глубине от одного до трех километров в толще океана. Они могут ходить прямо в воде, не опираясь на дно! Из семи пар лапок, которыми природа одарила эти существа, две или три пары достигают необыкновенной длины, делая рачков похожими на пауков. У некоторых рачков часть длинных ног покрыта щетинками. С их помощью животные могут совершать движения, напоминающие вращение педалей. Благодаря такому устройству ног рачки неспешно перемещаются в поисках пищи, могут просто зависнуть в воде или быстро удрать от врагов. Причем рачки действительно ходят, а не плывут, как большинство водных животных. Обращение к примитивным, но древним, давно существующим на Земле организмам, — один из принципов бионики. Дело в том, что техническое воплощение природных конструкций более поздних и совершенных видов отнюдь не всегда возможно. Взгляните на картинку, где изображен так называемый падаль-щик, обитавший на Земле примерно 500 миллионов лет назад. Это существо, передвигавшееся на ходулеобразных конечностях, удивительным образом предвосхитило разрабатываемые сегодня многоногие искусственные устройства. А вот еще один пример, говорящий о пользе обращения к древнейшим животным как к прототипам технический решений. Изобретателей, работающих над созданием твердых резцов для обработки металла, давно волновала проблема их заточки. Затупился резец — надо его вытаскивать и затачивать, чтобы он приобрел прежнюю остроту. Как же грызунам удается иметь постоянно о'стрые зубы? Оказалось, что зубы грызунов имеют многослойную конструкцию: их твердые стержневые слои окружены более мягкими, и стачивание происходит так, что угол заострения не меняется. Этот принцип был воплощен в технике, однако такие самозатачивающиеся режущие инструменты использовались редко. В данном случае природа подсказала слишком сложное решение. Но когда изучили устройство зубов некоторых динозавров, перемалывавших в течение жизни огромное количество пищи, выяснилось, что у природы давным-давно имелись иные варианты решения этой проблемы. У динозавров зубы располагались на челюсти в несколько рядов, и когда стачивался один ряд, на смену ему приходил следующий. Пока он изнашивался, «подрастал» еще один. Такие сменные зубы есть и у современных акул, ламантинов (водных млекопитающих, занесенных в Красную книгу), слонов. Это техническое решение человек с успехом использовал в многоярусных буровых коронках.
Более двух с половиной веков назад из Швейцарии в Голландию приехал молодой человек. Он только что завершил университетское образование в области естествознания, к которой он проявлял большой интерес. Нуждаясь в деньгах, он решил наняться в гувернеры к одному графу. Эта работа оставляла ему время для проведения собственных исследований. Звали молодого человека Абраам Трамбле. Его имя вскоре стало известно всей просвещенной Европе. А прославился он, изучая то, что было в прямом смысле слова у всех под ногами, — весьма простые организмы, водившиеся в лужах и канавах. Одно из этих живых существ, которых он тщательно рассматривал в капельках зачерпнутой из канавы воды, Трамбле принял за растение. Это были зеленые трубочки, длиной около сантиметра, с венцом из щупалец на одном конце. Но однажды Трамбле обнаружил, что трубочки сокращаются и удлиняются, а затем был поражен, заметив, что они «шагают». Все это позволило исследователю отнести их к животным. За свой внешний вид (существа напоминали мифологических чудовищ с девятью головами) они получили название «гидры». С гидрами связано много интереснейших биологических находок, однако еще сравнительно недавно о мире живого было известно так мало, что о строении и поведении многих существ можно было лишь фантазировать. К сожалению, несмотря на то, что открытия Трамбле вошли в «багаж» каждого биолога, его вспоминают нечасто. Лишь во второй половине XX века труды ученого были переведены с французского языка на английский. Однако и сейчас обращение к ним может многому научить современных исследователей. В частности, не подскажут ли наблюдения и рисунки, описывающие движения гидры, новое техническое решение какой-нибудь задачи? Например, как обеспечить перемещение людей по протяженным плоскостям космических аппаратов или корабельных корпусов под водой — когда надо обследовать их поверхность, что-либо отремонтировать или разместить там приборы?
Леонардо да Винчи (1452—1519) — итальянский художник, ученый и изобретатель. Научные работы посвящены практически всем областям естествознания, в том числе анатомии и физиологии человека и животных. Конструировал летательные аппараты по образу и подобию птиц и летучих мышей. Считал, что только опыт является источником достоверного знания: «Одна только природа — наставница высших умов».
Владимир Иванович Вернадский (1863—1945) — российский естествоиспытатель, один из основоположников геохимии, биогеохимии и радиогеологии, труды которого отличались разнообразием научных интересов и предвидением мощного воздействия человека на окружающую среду. Создатель учения о биосфере — области действия жизни на Земле и ноосфере — сфере человеческого разума. Труды ученого стали основой экологической стратегии человечества.
