Подсказывает живая природа

Изобретателям, прямо скажем, повезло, что они живут на такой планете, как Земля. Наш животный и растительный мир - это неисчерпаемый темник изобретений и открытий. В лесах, полях, в реках и морях размещен гигантский политехнический музей, наполненный шедеврами техники. И многие из них еще не освоены творчеством человека.

У живой природы есть чему поучиться и создателям двигателей, и творцам авиационных аппаратов, и новаторам химии, и энтузиастам автоматики и кибернетики.

Слов нет, наши инженеры по праву гордятся своими машинами. Нынешний подъемный кран куда сильнее слона, хороший автомобиль перегонит любого скакуна, а самолет оставит позади любую птицу. Но...

Вот синица вспорхнула с ветки и тут же опустилась на другую. Никакого разгона, никакой "посадочной площадки". Точность "приземления" рекордная. В чем тут секрет? Нельзя ли его раскрыть и поставить на службу авиации?

Рыбка неподвижно висит в голубой толще воды. Вдруг опасность - и, сделав едва заметное движение, блестящая ленточка чуть ли не мгновенно набирает скорость и уносится прочь. Как ей это удалось? Не подойдет ли "рыбий опыт" для подводных кораблей?

Семенит крошечными лапками муравей и легко тянет травинку, которая раз в сто тяжелее, чем он сам. Откуда этакая силища? Что за удивительный мотор спрятан в тщедушном тельце? Если мысленно увеличить муравья до размеров тепловоза, соответственно умножив его мощность, он потянул бы состав в пятьсот, а то и в тысячу вагонов! Разве не заманчиво построить такой локомотив?

...Сколько у утки крыльев? Оказывается, четыре. Вдвое больше, чем вы думали. Этот странный факт подметил недавно Георгий Николаевич Балыков - авиаинженер и большой любитель природы.

На старый шутливый вопрос: "Отчего утка плавает?" - издавна существовал и "серьезный" ответ: "Оттого, что у нее на лапах перепонки". А Балыков доказал другое: перепонки служат не столько для плавания, сколько для полета, вернее, для взлета птицы с воды. Достаточно было вырезать ножницами эти перепонки, и утка, не теряя способности плавать, разучивалась взлетать. Желая подняться в воздух, птица в паническом недоумении хлопала крыльями. Напрасно! Она будто приросла к воде.

Дело тут простое. Разгоняясь на воде перед взлетом, утка ставит лапы с перепонками назад и чуть в стороны. Получаются самые настоящие подводные крылья. Они и создают подъемную силу, необходимую для взлета с воды. Они же, кстати сказать, служат аэродинамическим тормозом при посадке на воду.

Сегодня подводными крыльями никого не удивишь. Уже строятся не только суда, но и самолеты, оснащенные такими приспособлениями. Но факт остается фактом: природа "изобрела" их куда раньше, чем человек, и пользуется ими повсеместно. Будь мы повнимательнее, возможно, подводные крылья раньше появились бы на кораблях.

Подсмотреть в природе техническую деталь, уже знакомую человеческой технике, - дело не слишком трудное. Гораздо хитрее разглядеть еще неведомое. Тонкая наблюдательность помогла Балыкову сделать и такие открытия, причем очень интересные для изобретателей. Аэродинамические закономерности он увидел в строении птичьих перьев, формах крыла, распределении пухового покрова.

Раньше думали, что пух всего лишь птичье "одеяло". Теперь выявляется иное, более важное его назначение. Пух резко снижает удельный вес птицы и создает нарастание плотности снаружи внутрь. Это облегчает полет, придает ему устойчивость. А перья? Они устроены так, что устраняют тормозящие завихрения воздуха. Заостряющееся к концу перо делает движение воздуха вокруг него спокойным, свободным от вихрей. Беспорядочный "пограничный слой" сдувается. А то, что перьев много? Это, оказывается, сокращает площадь крыла. Птица отталкивается от воздуха не плоскостью, а чем-то похожим на кисть. В результате исчезает скольжение, толчки при взмахах усиливаются. Недаром птицам доступны немыслимо большие, с точки зрения нашей авиации, углы атаки - наклона крыла к потоку воздуха, невозможная для самолетов маневренность и точность движения на малых скоростях.

К птичьему полету люди присматриваются давным-давно. Но лишь теперь удается до конца объяснить его сложные закономерности. Современный взгляд на аэродинамику птичьего полета подсказывает много оригинальных решений авиационной технике. Разумеется, речь идет не о простом подражании. Имеет смысл лишь развитие, основанное на богатейшем арсенале технической практики. Но кто знает, быть может, уже не за горами день, когда в нашем небе появятся миниатюрные и послушные летательные аппараты с искусственным пухом и пластмассовыми перьями. Слово за учеными, изобретателями.

...Как рыба набирает скорость?

Простой вопрос, скажет читатель. Ясное дело, она разгоняется ударами хвоста, движением плавников.

Верно, но только отчасти. Рыба в воде - как ракета в космосе. И подобно ракете, она, оказывается, умело пользуется реактивным способом ускорения.

Среди обитателей океана давно известны "реактивные корабли" - кальмары, каракатицы. Эти сразу обратили на себя внимание, ибо действуют весьма примитивно и в открытую. Рыбы же - замаскированные ракеты. У них реактивный движитель спрятан в органе дыхания - жабрах.

Рыба набирает воды в рот, а потом движением жабр с силой выталкивает ее назад через жаберные щели. В результате невесомое обтекаемое тело получает ощутимый толчок вперед.

Что здесь интересно для изобретателей? Сам реактивный способ ускорения, конечно, не нов. И в водных транспортных средствах он уже начинает применяться. Едва ли понадобится технике и удивительное само по себе совмещение в одном органе двух разнородных функций - то, что жабры и дышат и движут. Для нас любопытнее другое.

Неторопливый кальмар, желая продвинуться вперед, выпускает струйку воды - обычную реактивную струю. А у рыбы реактивный поток иной. Не струя, а тонкая широкая водяная пленка, которая вырывается из жаберных щелей и обтекает все тело. В этом-то, по мнению Балыкова, и заключается один из секретов рыбьей маневренности.

Дело в том, что реактивная водяная пленка, создавая движущий импульс, вместе с тем "смывает" пограничный слой между телом рыбы и водой, уменьшает "присоединенную массу" воды, увлекаемую плывущим телом. В таких условиях движение становится предельно легким. Сопротивление среды резко падает, особенно на больших скоростях.

Почему бы изобретателям не подумять о техническом освоении и этого природного приспособления?

...До сих пор мы говорили о природных движителях - устройствах разгона и торможения. Пожалуй, еще интереснее живые двигатели - средства получения самой механической энергии.

История нашей техники - во многом борьба за экономичность двигателей, за повышение их к.п.д.

Каковы же сегодняшние итоги этой борьбы?

Поиски самого экономичного двигателя неминуемо приведут вас опять-таки в царство живой природы. Мышца - вот двигатель-рекордсмен! У нее самый высокий к.п.д.

Ведь это факт, что, накопив не слишком уж большой слой жира, птица неутомимо машет крыльями в течение месяцев и совершает беспосадочный перелет через огромные материки и океаны "на ту сторону" земного шара.

Да и относительная мощность мышцы поразительна, во всяком случае, у маленьких живых существ. Возьмите речного моллюска и попробуйте разнять его могучие створки. Вам придется потрудиться. Опытами доказано, что некоторые насекомые поднимают груз, в пятьсот раз превышающий вес их тела!

Без слов ясно, как полезен был бы подобный двигатель нашей технике. Каких только чудес не натворили бы с ним хитроумные изобретатели!

В чем же дело? Почему природа и поныне владеет рекордом?

Потому что мышца - двигатель, до сих пор во многом засекреченный от человека.

Что же именно засекречено?

Вспомним сперва, как действуют наши паровые машины и моторы внутреннего сгорания. Вначале горит топливо, и химическая энергия, скрытая в угле или бензине, превращается в тепловую. И только из тепла получается механическая энергия. Такое двойное преобразование сопряжено с неизбежными потерями. Особенно расточителен последний этап: от тепла к механическому движению. Именно там рассеивается подавляющее количество энергии. К тому же простое сжигание освобождает порой далеко не всю химическую энергию, таящуюся в горючем. Потому-то столь низок к.п.д наших тепловых машин.

А мышца? Главное ее достоинство в том, что химическая энергия "топлива" в ней преобразуется в механическую прямо, непосредственно, без примитивного сжигания, минуя тепло. Никаких раскаленных топок, котлов, турбин. Полное отсутствие резкого перепада температур, без которого немыслима обычная тепловая машина. Как же природа обошлась без всего этого? Здесь-то и кроется поныне до конца не раскрытая тайна мышцы.

Сегодня наука трудится над разгадкой этой тайны, и довольно успешно.

...Еще лет тридцать назад загадка мышцы кое-кому казалась неразрешимой. Папская академия в Ватикане даже объявила ее прибежищем божественной "жизненной силы" и доказательством существования всевышнего. Но богословы сделали опрометчивый шаг. Не успели они оглянуться, как в изучении мышцы наука одержала первую блестящую победу.

Основная заслуга принадлежала советским ученым: академику Владимиру Александровичу Энгельгардту и профессору Милице Николаевне Любимовой. Им удалось выследить главных участников загадочной мышечной работы. Белок, именуемый миозином (попросту), оказался одновременно ферментом (возбудителем и ускорителем) реакции этого вещества с другим - с так называемой аденозинтрифосфорной кислотой, сокращенно АТФ, которая вырабатывается организмом в процессе обмена веществ. Как раз при взаимодействии АТФ и миозина происходит изменение длины мышечных волокон. Энгельгардт и Любимова доказали это остроумным экспериментом, где АТФ действовала на специально приготовленную нить из чистого миозина.

Шли годы. Биохимики отыскали и другие вещества, участвующие в работе мышцы, разобрались в роли каждого из них. Сегодня ясно, что АТФ не что иное, как своеобразное и очень концентрированное "горючее" организма. Оно поставляет энергию мышцам. Всякая молекула АТФ - сгусточек потенциальной химической энергии, которая в миозине превращается сразу в механическую работу.

Есть еще в мышце белок, называемый актином. Он служит каркасом, "рельсами" для растягивающихся или сжимающихся миозиновых нитей. Электронный микроскоп помог ученым рассмотреть и тончайшее внутреннее строение мышечной ткани. Теперь мы знаем, что мышца - это пучок белковых ленточек, в которых группы молекул расположены примерно так же, как звенья эластичного металлического браслета для наручных часов.

Как видите, многое разгадано. Правда, еще не вполне ясны подробности взаимоотношений АТФ и миозина, не составлена картина молекулярных перестроек, связанных с переходом химической энергии в механическую. Непонятны пока и тонкости биологического управления механохимическими процессами. Но основные принципы мышечной физико-химической деятельности уже известны.

...Люди науки по-хорошему нетерпеливы. Не дожидаясь окончательного раскрытия тайн живой мышцы, они пробуют сделать ее искусственное подобие. Пластмассовый мускул, двигатель, где топливо используется без сжигания, без разбазаривания на нагрев окружающей среды, где химическая энергия сразу преобразуется в механическую, - вот о чем мечтает наука.

В одном из павильонов Брюссельской выставки в банке с водой висела ленточка из густого желе ПАК - полиакриловой кислоты. И она неутомимо работала: поднимала и опускала грузик весом в два грамма. Разумеется, эту ленточку никто не дергал. Она самостоятельно меняла длину в зависимости от того, какое вещество добавлялось в воду - кислота или щелочь. Изобретатели уверяли, что подобный канат толщиной в руку поднял бы сто тонн!

В чем же здесь секрет?

Оказывается, молекула ПАК - это нечто вроде древесного ствола, густо обросшего ветвями. Причем "ствол" смят в комок, а "ветви" способны отталкиваться друг от друга, если у них отрубить концы - положительно заряженные ионы водорода. Тогда каждая "ветка" превращается в отрицательно заряженный ион, а всем известно, что одноименные электрические заряды взаимно отталкиваются.

В кислой среде как раз и происходит обрубка концов "ветвей", что влечет за собой распрямление молекул-комков и, следовательно, растягивание ленточки ПАК. Но стоит добавить в раствор щелочь, как действие кислоты приостанавливается. И ленточка уменьшает свою длину, сокращается.

Не так давно физико-химики придумали и более любопытную модель - пластмассовую ленточку, которая меняла длину не в жидкой, а в газообразной среде. Словом, наука уже умеет превращать химическую энергию прямо в механическую.

В сегодняшних лабораториях появляются искусственные мускулы - еще слабенькие, совершенно "нетехнологичные", как сказал бы инженер. Но это, бесспорно, прообразы пластмассовых мышц будущего - промышленных механохимических двигателей. Хочется верить, что недалек день, когда ученые передадут их в золотые руки изобретателей.

...Много имен дано нашему завтрашнему дню. Одни называют его атомным веком, другие - космической эрой, третьи - эпохой автоматики. Все эти имена верны и дополняют друг друга. А порой приходится слышать и не столь распространенное название. Ученые предсказывают: человечество идет к биовеку - ко времени высших достижений науки о жизни, сулящих неузнаваемо изменить лик и самой земной природы, и нашей техники.

Под словом "биовек" понимают очень многое. Это полная переделка наземной флоры планеты, после чего все (без исключения!) растения станут максимально полезными и продуктивными. Это гигантские работы по подъему поныне не тронутой целины океана - освоение заново выведенных водорослей, использование под "пашню" безграничных просторов морского дна. Это невиданное развитие животноводства. Это окончательное овладение тайной происхождения, наследственности и даже искусственного творения живых существ. Человек по своему замыслу станет "лепить" новые необходимые ему организмы. И в неограниченном количестве!

В биовек войдет промышленный синтез продуктов, которые сегодня доставляются лишь живой природой. Ее поразительная автоматика не только станет достоянием нашей техники, но будет еще дальше развита и усовершенствована творчеством инженеров и изобретателей.

Подсказывает живая природа

И наконец, наверняка войдут в технику биовека заимствованные из природы движители и двигатели - то, о чем мы больше всего говорили сейчас и о чем, стало быть, нам дозволено побольше и пофантазировать.

...Можно представить себе, что искусственные мускулы будут изготавливаться на заводах и поступать в широкое пользование так же, как сейчас вырабатываются и служат электромоторы и дизели. Появятся двигатели в виде простой веревки. Стародавнее колесо потеснится. Всюду, где потребуется, поступательное движение будет получаться сразу, без сложного преобразования из вращательного. Техника обретет новое отличное средство малой механизации. Предельно простыми и удобными станут наделенные пластмассовыми мускулами подъемные краны, лифты, пилы, отбойные молотки, лопаты, грабли, всякого рода миниатюрные переключатели, реле, телемеханические устройства.

Но может быть, ты думаешь, что все эти чудеса XX века родятся обязательно в многолюдных цехах и лабораториях, оснащенных таинственной аппаратурой, сложнейшими станками и машинами? Может быть, ты полагаешь, что сегодня, в век атома, изобретателю, обладающему нехитрой домашней мастерской, письменным столом и логарифмической линейкой, и вовсе ничего невозможно сделать? Ты не прав. Разумеется, техника в наши дни усложнилась и разрослась, как никогда прежде, и, чтобы воплотить в металл техническую мысль, необходимы, как правило, гигантские предприятия и многолюдные коллективы специалистов. И все-таки твоя скромная домашняя мастерская сегодня тоже немаловажный форпост на путях технического прогресса.