Мастерская природы
Главная страница
Открытки
Форум
Гостевая книга

Мастерская природы

Мастерская природы — нерукотворный источник всего живого на нашей планете. Природа — гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надежностью, прочностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций.
С давних пор стремился человек заглянуть «внутрь живых моделей», разгадать «секреты» действия биологических систем, созданных в мастерской природы.
Бурный рост технической мысли, начавшийся с середины нашего столетия, развитие биологии и вторжение в нее таких точных наук, как физика, химия, математика и особенно кибернетика, перебросившая мост от биологии к технике,— все это привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления, получившего название бионики (от слова «бион» — элемент, ячейка жизни).
Бионика занимается изучением аналогий в живой и неживой природе, то есть изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих технических систем, созданием принципиально новых машин, аппаратов, строительных конструкций и т. д.
Подборка открыток «Мастерская природы» знакомит читателя с некоторыми биологическими системами живой природы, представляющими интерес для биоников. На примере более 200 рисунков, фотографий и схем, изображенных на открытках, рассказывается об особых качествах и свойствах «живых моделей», их органах чувств, способах передвижения, системах ориентации, навигации и локации, конструктивных особенностях, а также о некоторых достижениях и задачах современной науки.
Большое место в подборке уделено теме архитектурной бионики — новой ветви бионической науки, которой занимается Лаборатория архитектурной бионики ЦНИИ теории и истории архитектуры. В строительном искусстве ярче, чем в какой-либо другой сфере деятельности человека, видны первые шаги бионики. Архитектурная бионика не предполагает копирование форм живой природы. Это глубокий научный поиск и исследование в органическом мире гармонически сформированных функциональных структур с целью использования в архитектуре законов и принципов их формообразования.
Сейчас на Земле насчитывается около 1,5 млн. видов животных и не менее 500 тыс. видов растений, что составляет ничтожную долю общего числа видов, населявших нашу планету со времени ее существования. Одной из причин быстрого исчезновения живых организмов на Земле явилась и деятельность человека. С 1600 года вымерло более 90 видов птиц и более 60 видов млекопитающих Установлено, что только четверть из этого числа исчезла по естественным биологическим и эволюционным причинам.
Бионика — одна из тех наук, которая теснейшим образом связана с живой природой и которая остро ощущает необходимость в сохранении оставшихся видов на Земле. Не исключено, что среди исчезнувших с лица нашей планеты видов были и такие, которые могли бы помочь науке решить не одну техническую проблему (примером тому являются чудесные свойства некоторых консервативных реликтов, которым в подборке специально посвящена одна открытка). Оттого, насколько разумно и бережно мы будем сегодня пользоваться созданиями мастерской природы, зависит не только материальное благополучие людей на планете, но и развитие творческой мысли человека, развитие техники, искусства и всего прогресса на Земле.
В процессе работы над данной подборкой составитель и художник получали консультации по целому ряду вопросов, касающихся бионики, а также помощь в подборе иллюстративного материала в научно-исследовательских институтах Академии наук СССР: в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии, в Институте географии, в Институте лесоведения, в Лаборатории архитектурной бионики Центрального научно-исследовательского института теории и истории архитектуры и в Московском институте инженеров гражданской авиации, за что приносят научным сотрудникам институтов и лабораторий искреннюю благодарность.

З. Воронцова

 

СТВОЛОВАЯ АРХИТЕКТУРА

«Роль стебля, главным образом, архитектурная: это твердый остов всей постройки», — говорил великий русский ученый К. А. Тимирязев. Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техники. Примерами тому являются растение пухонос из семейства осоковых и фабричная дымовая труба. Их конструкции в поперечном сечении оказались удивительно похожими, хотя создавались независимо друг от друга.
Высокие сооружения, созданные природой, по конструкции гораздо тоньше и намного совершеннее того, что умеет делать человек. Немало в природе растений, отличающихся большой высотой при минимальной площади опоры. Они приспособлены к действию внешних нагрузок и гравитации. Так выдерживают тяжелые соцветия аконит, дельфиниум или борщевник, диаметр соцветия которого нередко в 50 раз превышает диаметр стебля.
Величайшим достижением мастерской природы является стебель злаков — соломина. У тростника она, например, вырастает высотою до 3-х м, имея в поперечнике всего лишь 15 мм, у стебля ржи отношение диаметра стебля к его высоте (коэффициент стройности) достигает 1:500, причем соломина несет еще груз (колос), вес которого в 1,5 раза больше, чем вес стебля.
Большая прочность и устойчивость таких высотных природных конструкций обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, способностью их работать как на сжатие, так и на растяжение. В стеблях злаков большую роль играют его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой особо устроенные упругие шарниры-демпферы. И не случайно сильная буря вырывает с корнем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака.
На основе принципов построения природных высотных конструкций строители проектируют высотные здания нового типа — типа стволовой конструкции. По принципу строения стебля пшеницы разработан проект высотного здания, у которого основание более узкое, чем средняя часть. Упругие демпферы, разделяющие здание по высоте на несколько элементов, снижают силу ветрового напора и сокращают нагрузку на основание.

На открытке: борщевник, пшеница, аконит. На фоне — разрез стебля пухоноса. На фото — макет сверхвысотного здания с демпферами-перехватами. Схема разреза фабричной дымовой трубы.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81


 

 

 

СПИРАЛЬ

Спираль — одна из форм проявления движения, роста и развития жизни. По закону спирали развивается Галактика и живой организм, например, растений. Первым, кто открыл, что растущее растение описывает спираль, был Чарльз Дарвин. Описывая спираль, вытягиваются стебли растений, двигаясь по спирали, раскрываются лепестки некоторых цветов, например, флоксов, развертываются побеги папоротника.
Спираль в то же время является в природе и сдерживающим началом, направленным на экономию энергии и материала. Лишь изменяя форму конструкции, придавая ей вид спирали, природа, таким образом, достигает в конструкции дополнительную жесткость и устойчивость в пространстве. Так, например, завиваются в спираль, приобретая этим дополнительную жесткость, тонкие и длинные стебли огурцов или тыквы, длинные листья рогоза и тонкие ножки грибов. Раковины простейших одноклеточных организмов форманифер и раковины моллюсков, закрученные в одной или разных плоскостях (турбоспирали) — это также проявление способа достижения наибольшей прочности при экономном расходовании материала. Благодаря завитой форме такие тонкостенные конструкции выдерживают большое гидродавление при погружении на глубину.
Закрученная форма природных конструкций, как способ достижения большой устойчивости в пространстве при экономном расходовании «строительного» материала, подсказала архитекторам новую форму спиралевидной основы здания — турбосомы. Турбосома аэродинамична, любые ветры лишь обтекают ее тело, не раскачивая и не принося ей никакого вреда. Она может быть использована при строительстве высотных домов.

На открытке: развертка цветка флокса, гриб коллибия длинноножковая, стебли огурца, раковина (митра епископская). На фоне — форманифера. На фото — турбосома. Схема спирального плетения паутины.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

КОНСЕРВАТИВНЫЕ РЕЛИКТЫ

Число видов, составляющих ныне органический мир нашей планеты, — это лишь очень малая доля общего числа видов, населявших Землю от древнейших времен до нашей эпохи. Среди существующих сейчас видов сохранились в очень небольшом количестве и виды реликтовые, то есть такие, которые появились на Земле много миллионов лет назад и потомки которых дожили до наших дней в почти неизмененном виде. Являясь «живыми ископаемыми» нашей планеты, они представляют ценнейший материал для науки, в том числе и для бионики.
Начиная с кембрия почти все древние моря Земли населяли четырехжаберные головоногие моллюски наутилусы. Но 80 млн. лет назад наутилусы вымерли, за исключением одного рода, представители которого обитают сейчас в юго-западной части Тихого океана. В строении тела современных наутилусов сохранились многие черты их древних предков. Например, раковина, в которой живут эти моллюски. Спиралевидная раковина наутилусов — одно из замечательных созданий природы. Внутри она разделена перегородками на несколько камер, в самой последней живет моллюск. Каждая перегородка имеет отверстие. Когда наутилус хочет опуститься на глубину (иногда до 700 м), он наполняет камеры водой, а для :ого, чтобы подняться, нагнетает газ, который вытесняет воду. Раковина становится легкой и всплывает. Все происходит как в современной глубоководной лодке батискафе, модель которого природа создала в своей мастерской 500 млн. лет назад.
У атлантических берегов Центральной и Северной Америки и у юго-восточных берегов Азии, на мелководье, обитают странные, своеобразные животные мечехвосты, родственники пауков и скорпионов. Древние сородичи мечехвостов, трилобиты, в ископаемом состоянии известны с середины кембрия. За 400 млн. лет своего существования на планете мечехвосты сохранили многие качества своих предков. Например, две пары глаз (простые и сложные), расположенные на головогрудном щите. Сложные глаза мечехвоста, состоящие из 1000 простых глазков (омматидиев), обладают способностью усиливать контраст изображения. Основано это уникальное свойство на взаимодействии омматидиев, когда при освещении один омматидий усиливает свет за счет ослабления соседнего, делая сильный свет сильнее, а слабый слабее. Разность между ними становится больше и дает возможность лучше рассмотреть предметы с нечеткими краями на фоне с помехами.
По принципу глаза мечехвоста разрабатываются электронные модели и схемы, с помощью которых можно улучшить работу телевизионных трактов некоторых систем, например, для получения снимков небесных светил, аэрофотосъемки со спутников и т. п.
На некоторых островах Новой Зеландии живут ящерицы гаттерии — единственные представители подкласса клювоголовых пресмыкающихся, произошедших от первоящеров пермского периода эозухий. Древнейшие клювоголовые населяли нашу землю примерно 200 млн. лет назад. Гаттерии сохранили главнейшие черты своих предков, в том числе хорошо развитый и функционирующий третий, теменной, глаз, орган зрения, характерный для всех первобытных позвоночных животных. В дальнейшем он утратил свою функцию и превратился в остаточный орган, существующий в области головного мозга даже у человека. За последнее время третий, теменной глаз стал привлекать внимание многих ученых, в том числе и биоников. Он заинтересовал их особенно в связи с решением проблемы навигации животных: есть предположение, что птицы с помощью своего сильно измененного третьего глаза определяют время сезонных миграций.

На открытке: мечехвост, гаттерия. На фоне — первоящер эдафозавр. На фото — разрез раковины наутилуса. Схема современного батискафа в разрезе.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛУБОКОВОДНЫЕ АНАЛОГИ

Мировой океан таит в себе огромный запас продуктов питания, химического сырья, минералов и полезных ископаемых, жизненно важных для человека, а также много тайн, интересующих ученых различных областей науки. Современная техника позволила создать подводные аппараты, с помощью которых человек начал опускаться на большую глубину и изучать жизнь океана.
При построении первых глубоководных подводных лодок — батискафов — ученые пользовались принципом функционирования подводного жилища паука серебрянки. Из всех пауков только он живет под водой. Но поскольку серебрянка, как все пауки, дышит воздухом, то приходится ему строить из паутины куполообразный дом, заполненный воздухом. Время от времени паук пополняет запасы воздуха, принося его с поверхности водоемов. Запасшись им вдосталь, серебрянка неделями не покидает своего жилища.
Так сама природа указала гидроисследователям один из возможных путей освоения глубинных просторов Мирового океана. И в дальнейшем при решении проблемы погружения человека на глубину и длительного его пребывания в воде, а также при конструировании подводных жилищ-лабораторий инженеры и ученые не раз обращались в мастерскую природы. Например идея конструкции пятикомнатного стального дома подводной лаборатории Кусто «Преконтинент-2» была подсказана морской звездой.
Особый интерес вызывает у многих ученых строение одноклеточных микроскопических организмов: скелеты животных радиолярий и панцири водорослей диатомей.
Панцири диатомей, состоящие из двух створок, выдерживают на глубине большое гидростатическое давление. С помощью электронного микроскопа было установлено, что прочность конструкций панцирей диатомей обусловлена формой и структурой их створок. В их подчас причудливых конструкциях нет ничего лишнего, все направлено на прочность в сочетании с целесообразностью, экономичностью. Не менее прочны и ажурные скелеты радиолярий.
Внимание гидробиоников привлекают и крупные обитатели морских пространств — китообразные. Как и все млекопитающие, они дышат воздухом. Но природа снабдила их более сложным механизмом дыхания. Так, сделав всего лишь один-единственный вдох, киты и кашалоты могут погружаться на глубину 1500 — 2000 м и оставаться там по 2 часа и более!

На открытке: створка диатомей скелетонемы, скелет радиолярии сфаеридиум, морская звезда рода эвастериас. На фоне — кашалот. На фото — подводный дом «Морская звезда». Схема строения панциря диатомей (сильно увеличена).

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Мир живой природы наполнен движением. Чутко ощущая изменения, происходящие во внешней среде, — колебания температуры, влажности, освещенности и другие природные факторы, — живые организмы приспособились регулировать поступление количества необходимого им тепла, влаги, света и реагировать на механические раздражения — временно изменять свою форму или положение в пространстве отдельных своих элементов.
В зависимости от времени суток, то есть освещенности, открываются или закрываются лепестки цикория, ноготков, мака, шиповника и других цветов. Вслед за двигающимся на небосводе солнцем изменяют положение листья на стеблях белой акации и хлопчатника, поворачивает свое соцветие подсолнечник, под сильными солнечными лучами складывает листочки кислица. Улавливая изменения температуры и влажности перед переменой погоды, меняют пространственную форму листья клевера, папоротника, костяники. Отвечая на внешнее механическое раздражение, складывают листочки стыдливая мимоза 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 решении проблемы «движущейся архитектуры». Создаются проекты легких, складных транспортабельных домиков различного назначения, быстро трансформируемых помещений (залов, арен) с изменением площади и планировки. Примером тому является спортивный стадион на проспекте Мира в Москве. Это самое большое в нашей стране закрытое спортивное сооружение, которое за короткий срок можно трансформировать в легкоатлетический манеж, гимнастический помост, поле для футбола, хоккея или площадку для скоростного бега на коньках и т. д.
Особо стоит перед архитекторами проблема создания трансформирующихся сооружений для районов с неустойчивым климатом, требующим здания с автоматически регулируемыми покрытиями. Группой архитекторов создан проект стадиона в Киеве с крышей в виде цветка, лепестки которого поднимаются и опускаются в зависимости от погоды.

На открытке: цикорий, броненосец трехпоясный, кислица, броненосец, свернутый в шар. На фоне — соцветие подсолнечника. На фото — макет стадиона в Киеве с поднятой крышей. Схема покрытия стадиона (крыша опущена).

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ

В результате длительной эволюции и естественного отбора у всех организмов на Земле установились различные биологические ритмы, то есть закономерно повторяющиеся через определенный период биологические процессы. За точность работы назвали эти ритмы биологическими часами. И главным условием для их функционирования ученые склонны считать определенное взаимное положение в космическом пространстве Солнца, Земли и Луны.
Существуют суточные ритмы двигательной активности всего живого, которые по характеру бывают дневные и ночные. В определенное время суток открываются и закрываются венчики цветов, просыпаются и засыпают животные, кричат петухи и австралийские зимородки, приходят на водопой животные, вылетают за взятком пчелы, выходят на охоту ночные звери.
С приливно-отливными явлениями, которые вызывает Луна, связаны биологические часы австралийских рифовых цапель. Они живут вдали от моря, но регулярно прилетают кормиться на побережье во время отлива, хотя это время ежедневно сдвигается на 50 минут.
У манящего краба существует сложная система ритмов. В зависимости от времени суток и от ритма приливов манящие крабы не только чередуют покой и активную деятельность, но и периодически изменяют свою окраску от светлой, ночной, до темной, дневной.
С определёнными фазами Луны связано поведение некоторых морских червей-палоло и нереид, которые для размножения поднимаются на поверхность только в новолуние: тихоокеанский палоло — в октябре, ноябре, атлантический палоло и беломорская нереида — в июле.
Биологические часы лежат и в основе сезонных миграций животных. Северные олени и моржи, киты и дельфины, большинство птиц Земного шара, некоторые насекомые и рыбы ежегодно совершают большие путешествия. Погода может сдвинуть сроки начала переселения, но отменить их она не в силах. В действие приходят биологические часы животных, даже сидящих в неволе, в определенную пору они начинают беспокоиться и рваться в путь вместе со своими вольными сородичами.
Ученым не удалось пока разгадать механизм биологических часов. Но знание биологических ритмов дает возможность осуществлять генетическую регуляцию, то есть ускорять или тормозить развитие организмов. Ученые, например, научились регулировать биологические часы развития трихограммы — маленького насекомого, которое поражает многих вредителей полей тем, что откладывает свои яички в яйца вредных насекомых. Они стали выращивать трихограмму к нужному сроку.
Развитие хронобиологии (науки о биоритмах) привело к появлению нового направления в ней — космической биоритмологии, изучающей вопросы рациональной организации жизни человека в космосе.

На открытке: австралийский зимородок, манящий краб, трихограмма на яйце озимой совки, коровка семиточечная. На фоне — цапля. На фото — космический корабль «Союз-6». Схема взаимного положения Солнца, Земли и Луны.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

В конце XVIII века знаменитые ученые Гальвани и Вольта обнаружили электричество у животных. Первыми животными, на которых ученые делали опыт, чтобы подтвердить свое открытие, были лягушки.
Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб.
В настоящее время известно, что из 20 тыс. современных видов рыб около 300 способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По характеру генерируемых разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические и слабоэлектрические. К первым относятся пресноводные южноамериканские электрические угри, африканские электрические сомы и морские электрические скаты. Эти рыбы генерируют очень мощные разряды: угри, например, напряжением до 600 вольт, сомы — 350. Напряжение тока крупных морских скатов невысоко, поскольку морская вода является хорошим проводником, но сила тока их разрядов, например ската торпедо, достигает иногда 60 ампер.
Рыбы второго типа, например, мормирус, гнатонемус, гимнарх и другие представители отряда клюворылообразных не излучают отдельных разрядов. Они посылают в воду серии почти непрерывных и ритмичных сигналов (импульсов) высокой частоты, создавая вокруг своего тела электрическое поле. Конфигурация этого поля проявляется в виде так называемых силовых линий. Если в электрическое поле попадает объект, отличающийся по своей электропроводности от воды, конфигурация поля изменяется: предметы с большей проводимостью сгущают вокруг себя силовые лилии, а с меньшей — рассредоточивают. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства рыб в области головы, и определяют местонахождение объекта. Таким образом эти рыбы осуществляют подлинную электрическую локацию.
Клюворылообразные рыбы живут в Африке, в медленно текущих илистых мутных водах рек, а также в озерах и болотах, почти все они охотятся преимущественно ночью. Некоторые из них обладают плохим зрением, поэтому в процессе длительной эволюции и выработался у этих рыб такой совершенный способ для обнаружения на расстоянии пищи, врагов, различных предметов.
Приемы, используемые электрическими рыбами при ловле добычи и обороне от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для электролова и отпугивания рыб. Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации рыб. В современной подводной локационной технике пока не существует систем поиска и обнаружения, которые работали бы по образцу и подобию электролокаторов, созданных в мастерской природы. Учеными многих стран ведется упорная работа по созданию подобной аппаратуры.

На открытке: гнатонемус, электрический угорь, лягушка квакша. На фоне — электрический скат. На фото наглядно показано распределение магнитных силовых линий, аналогичное распределению силовых линий в электрическом поле. Схема распределения силовых линий электрического поля гимнарха и изменения в нем, вызванные предметом с плохой проводимостью.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

ЖИВОЙ СВЕТ

В природе существуют организмы, отличающиеся изумительным свойством излучать свет. Распространены они повсеместно — от экватора до полярных широт и от поверхности воды до предельных глубин. Среди сухопутных жителей таких организмов немного, это некоторые грибы и насекомые. Основная масса живых светящихся моделей живет в море и состоит из представителей простейших организмов, кишечнополостных, червей, моллюсков, ракообразных и рыб.
Свечение организмов (биолюминесценция) является характерным признаком их жизнедеятельности. Например, жгутиконосец ночесветка, медуза пелагия, веслоногий рачок эуфаузида или оболочник пиросома вспыхивают ярким светом в ответ на механическое раздражение. У червей — донных полихет — светящиеся органы развиваются лишь в период размножения. Ракушковый рачок циприна зажигает свой «фонарь» в ответ на сигнал другой особи. Глубоководные креветки, кальмары и даже некоторые рыбы, спасаясь от врагов, выбрасывают в воду светящуюся слизь, используя ее как световую завесу.
Помимо желез с фотогенными (рождающими свет) клетками у глубоководных животных имеются фотофоры — специальные светящиеся органы, богато иннервированные и состоящие из рефлекторов и линз. Многие головоногие моллюски и рыбы имеют очень сложные органы свечения, целую сигнальную систему из множества фотофор. Иногда фотофоры снабжены светофильтрами, и тогда животные светятся разноцветными «фонарями». Количество и расположение фотофор бывает самое разнообразное. Так, например, у глубоководного кальмара гистиотевтиса таких «фонариков» около 200. «Светильники» глубоководных рыб удильщиков расположены на конце подвижного иллиция, видоизмененного первого луча спинного плавника, или на длинных головных придатках, как у гимантолофа. По-видимому, эти фотофоры выполняют роль приманки. Некоторые рыбы (аномалопс, фотоблефарон) излучают свет с помощью светящихся бактерий, поселяющихся в их фотофорах. Свет аномалопса необычайно силен и служит рыбе, видимо, для освещения, а фотоблефарону и для сигнализации. Вопрос о биологическом смысле свечения животных во многом еще не ясен и остается пока на стадии предположений, поскольку научное изучение биолюминесценции началось совсем недавно, примерно 30 лет назад. Только в середине нашего столетия были созданы приборы (батифотометры), с помощью которых стало возможным изучение свойств световых сигналов (импульсов) отдельных организмов и свечения моря как природного явления. Свечение живых организмов имеет биофизические и биохимические основы, являясь частным случаем хемилюминесценции более общего физического явления, вызываемого излучением молекул, возбужденных в результате химических реакций.
Но механизм биолюминесценции еще до сих пор не расшифрован.
Живой свет привлекает внимание многих ученых, в том числе и биоников. Установлено, что в «светильниках» живых организмов почти вся химическая энергия при окислении превращается в свет, тогда как в обычной электрической лампе более 70% энергии уходит не на освещение, а на образование тепла. Специалистами ведутся исследования по созданию вычислительных машин на световодах, более экономичных и надежных, чем электрические. Работают ученые и по созданию искусственного «живого света», который может быть применен в тех случаях, когда нежелательно пользоваться светом, излучающим тепло, например, в операционных, во взрывоопасных шахтах.

На открытке: кальмар гистиотевтис, удильщик гимантолоф. На фоне — медуза пелагия. На фото — комплексный батифотометр. На схеме — форма светового импульса ночесветки.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИГРИРУЮЩИЕ ПО ВОЗДУХУ

В мире животных нет более искусных навигаторов, чем птицы. С давних пор человек использовал голубей для пересылки писем. «Чувство дома», которое поразительно развито у птиц, помогало голубям возвращаться за десятки и даже сотни километров и находить свою голубятню. Известны случаи, когда увозили многих птиц за тысячи километров в закрытых ящиках, вращающихся клетках, пытаясь «сбить с пути», но выпущенные затем на волю птицы быстро определяли свое местонахождение и летели в нужном направлении, осуществляя подлинную навигацию.
Вершина навигационных способностей птиц — их сезонные перелеты (миграции). С наступлением осени большая часть птиц Земного шара покидает свои родные места и отправляется в далекие, полные трудностей и опасностей путешествия к местам зимовок, а весной они снова возвращаются «домой». Группами и в одиночку, днем и ночью, в туман и сильный ветер летят птицы, покрывая подчас огромные расстояния. Так, в далекую Африку улетают наши горихвостки, мухоловки-пеструшки, ласточки, журавли, аисты. Из Аляски в Южную Америку переселяются американские золотистые ржанки. Часть их пути пролегает над океаном, но поскольку эти птицы не имеют перепонок на лапах и, следовательно, не могут сесть и отдохнуть на воде, то они вынуждены лететь непрерывно в течение нескольких недель! Замечательны своими далекими миграциями полярные крачки. В течение трех месяцев пробираются они из Арктики в Антарктиду, пролетая только в один конец расстояние около 16 тыс. км!
Способность к навигации у птиц — чувство врожденное. Кукушонок, выросший в чужом гнезде, не летит в ту сторону, куда зовут его приемные родители, а следует традиционным кукушиным путем, хотя летит впервые. У некоторых птиц, например у аистов, молодняк улетает зимовать раньше взрослых. Врожденный «птичий компас» укажет молодому аисту правильный путь к незнакомой ему далекой Африке.
Ученые предполагают, что птицы могут днем ориентироваться по солнцу, ночью — по звездам. Но поскольку небесный свод подвижен, для правильного определения направления полета необходимо знать время. Оказалось, что птицы могут каким-то образом вести счет времени, что у них есть своеобразные биологические часы. Птицы хорошо чувствуют и магнитное поле Земли, которое, возможно, тоже используют в полете. Но когда при экспериментах птиц лишали всех этих ориентиров, они все равно брали правильное направление. Установлено, что ориентация птиц — процесс комплексный, в котором участвуют почти все органы чувств, но устройство и принцип работы систем ориентации — механизм ориентации, остается пока не разгаданным.
В этой связи привлекают биоников и далекие перелеты бабочек: репейниц, адмиралов, траурниц, некоторых бражников и особенно монархов. Монархи — классический образец мигрирующих бабочек. Регулярно, в определенное время года огромными стаями переселяются монархи из Северной Америки в Южную Калифорнию, Флориду и даже в Новую Зеландию, летя на высоте около 120 м и покрывая расстояние более 3600 км!
Бионики многих стран работают над механизмом ориентации животных, раскрытие которого даст возможность человеку создать в технике принципиально новые навигационные системы.

На открытке: монарх, адмирал, аист. На фоне — полярная крачка. На фото — карта миграции североамериканских полярных крачек. Схематическое изображение некоторых созвездий в окрестностях Полярной звезды.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

 

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

За миллионы лет развития жизни на Земле природа в своей мастерской создала немало биологических моделей с оригинальным способом передвижения по различным поверхностям, снабдив их для этого особыми устройствами.
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 по потолку.
Пауков природа наделила чудесным гидроприводом, жидкостью для которого служит кровь животного. Лапки пауков лишены мышц. Но когда паук вытягивает лапки, гидропривод повышает в них давление крови до такой степени, что отвердевают даже щетинки. То повышая, то понижая в лапках давление крови, пауки таким образом приводят лапки 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 продолжительности (частоты) и интенсивности (амплитуды), и в зависимости от этого кусочки почвы под телом животного уплотняются или раздвигаются. Этот принцип используют многие обитатели песчаных пустынь, например, ящерицы круглоголовки, которые при опасности погружаются в песок,- «тонут», а спустя некоторое время «всплывают».
Своеобразен и 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/час.
В природе существует немало «моделей», отличающихся необычайной подвижностью. Тигры и леопарды, например, перепрыгивают двухметровые барьеры, горные козлы — широкие пропасти, прыжок крупного кенгуру достигает Эми более.
Бионики уже давно исследуют конструктивные особенности принципов работы 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. По принципу вакуумной присоски стали делать подъемные краны, стоящие на прижатой к земле стальной чаше, из-под которой откачивают воздух. В основе движения шагающего экскаватора лежит гидропривод, напоминающий гидропривод пауков. Создана снегоходная машина «Пингвин», развивающая скорость по рыхлому снегу до 50 км/час.

На открытке: паук-крестовик, комнатная муха, ящерица ушастая круглоголовка. На фоне — императорский пингвин. На фото — снегоходная машина «Пингвин». Схема передвижения на присосках морского ежа.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

ГИДРОДИНАМИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ

Конструируя живые плавательные механизмы, природа стремилась наделить их такими устройствами, которые обеспечивали бы животным наиболее эффективное преодолевание сопротивления водной среды и достижение максимально экономичных и высоких скоростей.
Рекордсменом но скоростному плаванию среди рыб является рыба меч, которая может плыть с завидной скоростью — 140 км/час! Легко преодолевать сопротивление воды помогает этим рыбам их форма тела. Сжатая с боков, она напоминает профиль крыла самолета. Важную роль при движении рыб играют большой хвостовой плавник серпообразной формы, длинный меч — видоизмененная верхняя челюсть рыбы, а также жабры. Изменяя положение жаберных крышек и таким образом меняя количество воды, проходящей через них и попадающей на поверхность тела, рыба меч может управлять пограничным слоем 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 — рыбы тунцы. Их ламинаризованная (не образующая вихревых потоков) форма тела, его гладкая, эластичная поверхность с обильным выделением слизи и другие приспособления позволяют тунцам покрывать с высокой скоростью расстояния до 9 тыс. км.
Искуснейшими пловцами являются дельфины. Тайна их скоростного плавания была разгадана только в середине нашего столетия, она заключается в специфической особенности строения кожи животного. Весь наружный покров дельфина действует как диафрагма, чувствительная к изменениям внешнего давления и гасящая возникающие струи путем передачи давления каналам, заполненным амортизирующим веществом. Кроме того, когда дельфины достигают больших скоростей, начинается волновое движение самого кожного покрова. Эти «скоростные складки», пробегая по телу дельфина в такт с возникшими завихрениями воды, гасят вихри и обеспечивают быстрое плавание.
К числу отличных пловцов принадлежат и головоногие моллюски кальмары. Развивая скорость более 60 км/час, 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 кальмаров способно существенно деформироваться. Кроме того, во время движения оно приобретает очертания, похожие на профиль самолетного крыла. Длинные щупальца моллюска, снабженные килями, когда он плывет, вытянуты и плотно сложены. Они стабилизируют направление движения и помогают сохранять или изменять курс. Помимо механизмов быстроходности и маневренности, кальмары обладают реактивным движителем, принцип работы которого заключается в засасывании большого количества воды, а затем выбрасывании водной струи через узкую воронку. Меняя угол установки воронки, кальмары могут плыть как вперед, так и назад.
Изучая и раскрывая гидродинамические секреты природных механизмов, гидробионики находят принципиально новые методы и способы проектирования кораблей: заимствуют форму для современных подводных лодок, покрывают корпуса судов искусственной «дельфиньей кожей» (ломинфло). Созданные инженерами (без «подсказки» кальмаров) движители-водометы не нашли пока широкого применения, поэтому гидрореактивный движитель кальмаров продолжает оставаться объектом исследований биоников.

На открытке: кальмар, тунец. На фоне — меч-рыба. На фото — современная подводная лодка (субмарина). Схема движения в воде дельфина.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГИДРОЛОКАЦИЯ В ПРИРОДЕ

Почти все рыбы, миноги и водные амфибии (шпорцевые лягушки, прибрежные саламандры и тритоны в период икрометания) имеют особый орган чувства — боковую линию. У рыб, например, она действительно располагается на боку и тянется от головы до хвоста в виде прободенных чешуек, вдоль которых проходит канал с чувствительными органами. Если около рыбы возникли токи воды, боковая линия тотчас же шлет информацию в мозг рыбы. Приемное устройство необыкновенно чувствительно, представляя, по сути, для рыб гидроакустическую антенную систему, настоящий локатор. Когда рыба плывет, впереди бежит волна. Отражаясь от встречных предметов, она возвращается к боковой линии и улавливается ее рецепторами, которые информируют рыбу об окружающих препятствиях, помогая таким образом обнаружить добычу или врагов. С помощью боковой линии рыбы ориентируются в мутной воде, в темноте и даже будучи слепыми.
Еще более чувствительна система ориентации в воде у таких морских млекопитающих, как зубатые китообразные, калифорнийские львы и особенно дельфины.
Эхолокация у дельфинов — основной способ ориентации в различных жизненных ситуациях: при добывании пищи, преодолении препятствий, распознавании различных объектов в водной среде. Принцип работы локатора у дельфина основан на излучении животным звуковых сигналов и улавливании их отражения, эха. Излучает сигналы дельфин при помощи клапанов и сложной системы воздухоносных полостей, получивших название мешков. Определенную роль в передаче сигналов играют стенки черепа, служащие как бы рефлектором, и лобный выступ (мелон), играющий роль своеобразной акустической линзы, фокусирующей звуковой пучок. Для приема низкочастотных сигналов у дельфина служат слуховые проходы, а для высокочастотных — нижняя челюсть. Обработку сигналов производит развитый мозг этих животных. Эхолокатор дельфина поражает необыкновенной точностью. На расстоянии, например, 20—30 м дельфин безошибочно указывает место, где упала дробинка диаметром 4 мм. Кроме месторасположения предмета дельфины могут различать форму предмета, их величину, структуру, а также скорость и направление движения. Животные без труда отличают свои сигналы от множества посторонних шумов и помех.
Принцип устройства и функционирования локаторов дельфинов еще недостаточно исследован. И несмотря на созданные человеком многие высокочувствительные технические системы гидроакустического поиска и обнаружения, гидролокаторы дельфинов остаются пока непревзойденными образцами гидролокационной техники.

На открытке: мраморный тритон, окунь. На фоне — калифорнийский лев. На фото — дельфин афалина. Схема ультразвуковой «линзы» и «рефлектора» в голове дельфина.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

ЖИВЫЕ ЗЕМЛЕРОЙНЫЕ СНАРЯДЫ

Богат и разнообразен мир животных, обитающих под землей. С помощью недавно изобретенного прибора эклектора удалось подсчитать, что общий вес всех почвенных животных на одном гектаре лесной земли составляет почти тонну. Это гораздо больше, чем весят все живущие на этой площади наземные животные, включая крупных зверей и птиц. В условиях подземной жизни у некоторых почвенных животных выработались удивительные приспособления, с помощью которых они прокладывают подземные ходы и норы.
Настоящей землеройной машиной является дождевой червь. При помощи мышц он сначала суживает передний конец тела и втыкает его в грунт, закрепляясь там специальными зацепками. А затем, сокращаясь в длину, становится более толстым и своим мускулистым телом раздвигает и уплотняет землю. Большую роль при этом играют щетинки, расположенные по сегментам. Они цепляются за стенки хода и не дают возможность телу червя при сокращении соскользнуть назад. Как миниатюрные земснаряды, работают на морском грунте черви приапулиды, используя при рытье гидравлический способ. Вокруг глотки у этих червей имеется сильный, вооруженный крючьями и шипами вывертывающийся хобот. Укрепившись в грунте, приапулида с силой выбрасывает вперед хобот с шипами и пробивает сначала топкий ход, затем раздув хобот поступающей из тела жидкостью, расширяет проход и обжимает землю. Заклинив в грунте хобот, червь подтягивает тело, затем хобот сжимается, чтобы в следующий момент снова начать «бурение».
Идеальным роющим устройством обладает червеобразная ящерица амфисбена. Она роет ходы головой, которой действует, как лопатой. Уплощенная голова ящерицы протискивается вперед, расталкивает частицы земли, а затем «затылком» с силой прижимает их к «потолку» хода. Обитают амфисбены в почвах различной плотности, поэтому встречаются ящерицы с разными «конструкциями» головы.
Признанным землепроходцем является крот, главным землеройным орудием которого являются передние, очень мощные конечности. Ладони их повернуты в стороны и назад, пальцы короткие, с длинными широкими когтями. Действуя ими, как саперными лопатами, крот ежедневно прорывает по нескольку метров новых ходов, причем землю вдавливает, укрепляя таким образом стенки туннеля.
Такими же роющими способностями обладают и некоторые млекопитающие, например, африканские трубкозубы и американские броненосцы. Они действуют подобно кроту, когда надо спрятаться от опасности.
Интересно, что некоторые жители подземелья, такие как дождевые черви, зарывающиеся морские ежи, морские раки калианассы, укрепляют стенки своих ходов, обмазывая их специально выделяемой слизью.
Живые землеройные машины представляют большой интерес для биоников при создании подземных роющих агрегатов. Разработана, например, оригинальная модель, которая подобно кроту двигается под землей и пробивает туннель с гладкими плотными стенами.

На открытке: рак-крот калианасса, приапулида, амфисбена. На фоне — трубкозуб. На фото — режущий орган угольного комбайна «Союз-19». Схематическое изображение фрезы.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

МАСТЕРА КАМУФЛЯЖА

Природа наделила многих животных способностью изменять свою внешнюю окраску. Это свойственно рыбам камбалам, морским собачкам, морским конькам, многим рыбам кораллового рифа. Меняют цвет некоторые креветки, квакши, пауки, ящерицы. Большими «мастерами» камуфляжа являются также головоногие моллюски: осьминоги и особенно каракатицы, которые мгновенно маскируются под грунт любого цвета и рисунка. Такая покровительственная окраска помогает животным добывать пищу и спасаться от врагов.
Каракатицы, осьминоги и ящерицы хамелеоны изменяют свой цвет и в зависимости от своего внутреннего состояния. Раздраженный осьминог из обычного пепельно-серого очень быстро превращается в черного. Страх, угроза, симпатия и прочие «чувства» отражаются на кожном покрове этих животных сменой цвета кожи.
Кроме того хамелеоны и некоторые другие ящерицы изменяют цвет кожи в зависимости от температуры, влажности, освещенности и пр. Например, ящерица мадагаскарский дневной геккон из светло-оливкового при повышении температуры превращается в зеленого.
Изменение окраски у животных — это сложный биологический процесс. Происходит он под влиянием раздражений извне, которые воспринимаются, главным образом, органами зрения и передаются через нервную систему кожным клеткам, поэтому если такого животного ослепить, то он теряет способность менять окраску. Под кожей у животных расположены особые эластичные клетки-хроматофоры, заполненные красящим веществом. По сигналу животного одни хроматофоры растягиваются (увеличиваются), а другие сокращаются (уменьшаются), в результате чего начинает преобладать какой-то один цвет. Под хроматофорами лежат другие клетки-иридиоцисты, заполненные рядами «зеркал» и системой «призм», которые отражают и преломляют свет, разлагая его на цвета спектра. Благодаря иридио-цистам кожа животных приобретает металлический блеск, «окрашивается» в серебристые и мягкие полутона.
Изучая процесс изменения окраски у животных, бионики заимствовали идею изменения цвета в зависимости от изменения температуры. Ученым удалось создать особые термометрические краски, с помощью которых легко узнать, как нагреваются во время работы различные детали машин и механизмов.

На открытке: хамелеон, каракатица сепия, рифовая рыба. На фоне — осьминог. На фото — глаз осьминога. Схема разложения через призму светового луча на лучи спектра.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

ТУРГОР

Чуть увядшее растение, поставленное в воду, спустя некоторое время расправляет листья и лепестки. Происходит это под давлением жидкости в клетках растения. Вода, проникая в клетки, увеличивает в вакуолях объем клеточного сока, вакуоли начинают давить на цитоплазму, цитоплазма — на клеточную оболочку, которая от этого растягивается и напрягается (растение «оживает»). Напряжение клеточных оболочек, вызванное внутриклеточным давлением, получило название тургор. Благодаря тургору растения приобретают упругость. Особенно это ярко проявляется у растений суккулентов, ткани которых обогащены водой: у кактуса, алоэ, агавы, очитка.
Обычное внутриклеточное давление у растений — 5—10 атмосфер, но в отдельных случаях оно сильно возрастает. Этим и объясняется то «чудо», когда нежные стебельки растений, хрупкие грибы взламывают асфальт, пробиваясь к свету. Тургор активно влияет на формообразование в природе. Так, под действием тургора развертывается и принимает вид упругой сетки «вуаль» гриба диктиафора. Набирая внутрь себя воздух или воду, раздуваются и становятся похожими на колючие шары рыбы иглобрюхи, спасаясь таким способом от врагов. Особенно важна роль тургора .в формообразовании при отсутствии у организма арматурной ткани, как у помидоров, патиссонов, гусениц, медуз.
Принцип тургора живых моделей привел к появлению в архитектуре совершенно новой области строительной техники — созданию пневматически напряженных конструкций. Пневматическое напряжение, создаваемое избыточным давлением газа или жидкости, обеспечивает гибкой герметичной оболочке несущую способность и устойчивость при любых видах нагрузок. Важнейшими преимуществами надувных систем являются экономичность, малый вес, транспортабельность, компактность, быстрота монтажа, поэтому принцип тургора получил сейчас широкое применение особенно при сооружении временных построек: выставочных и ярмарочных павильонов, спортивных залов, туристических лагерей, овощехранилищ и пр.
Наиболее распространенными формами надувных построек пока являются цилиндрический свод и сферический купол, хотя принцип тургора допускает огромное разнообразие форм пневматических конструкций.

На открытке: иглобрюх, гусеница бражника молочайного, шампиньоны, очиток едкий. На фоне — кактус опунция. На фото — пример надувной конструкции. Схематическое изображение клеток с тургором и без тургора.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

ДЫРЧАТЫЕ КОНСТРУКЦИИ

В 1889 году в Париже по проекту инженера Эйфеля была сооружена трехсотметровая металлическая ажурная башня, ставшая своеобразным символом столицы Франции. Эта конструкция является ярким примером единства: закона формообразования естественных и искусственных структур. Ученые обнаружили, что распределение силовых линий в конструкциях башни и в берцовой кости человека идентично, хотя при создании инженер не пользовался живыми моделями.
Легкая и хрупкая кость, способная выдерживать большие нагрузки, стала предметом изучения ученых и архитекторов. Всесторонне изучая скелет как комплекс пространственных систем, известный математик-конструктор Ле-Реколе установил, что прочность этой биологической конструкции заключается в соответствующем расположении в материале не плоскостей, а пустых пространств, то есть обрамлений отверстий, соединяемых различным образом. На основе конструктивного изучения структуры костей и других природных моделей родился в архитектуре принцип дырчатых конструкций, положивший начало разработке новых пространственных систем. Так французские инженеры использовали принцип дырчатых конструкций при строительстве моста в виде внешнего скелета морской звезды.
Для творчества архитекторов природа в своей мастерской предоставляет немало образцов дырчатых конструкций, например, скелеты некоторых глубоководных губок, солнечников и особенно радиолярий — простейших микроскопических организмов. Скелеты радиолярий поражают богатством и разнообразием форм и конструктивных решений. При удивительной экономии материала они обладают большой прочностью и выдерживают большое гидростатическое давление. Это яркий пример достижения максимальной прочности наиболее рациональным путем.
Ле-Реколе, исследовав строение некоторых радиолярий, разработал ряд универсальных конструктивных ячеек, которые могут быть применены в различных пространственных конструкциях — от перекрытий залов до мостов и плотин. Возможно, в будущем они найдут применение и в конструкциях, предназначенных для полета в космос, поскольку в подобных сооружениях особенно принимается в расчет не только сопротивление материала, но и его количество.

На открытке: морские стеклянные губки — корзинка Венеры, радиолярия арахнокорус. На фоне — радиолярия подоциртис. На фото — Эйфелева башня. Схема конструктивной ячейки.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

КОНСТРУКЦИИ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Среди травянистых растений нашей средней полосы широко распространено растение манжетка обыкновенная. Его легко заметить по складчатой форме листьев и сверкающей капельке влаги, которая часто скапливается у основания листа. Именно благодаря складчатой форме листьев растение и получило свое название — сложенные ровными складочками его листья напоминают старинные кружевные манжеты.
Ребристая форма листа манжетки, бука, лапчатки придает им по сравнению с такими же листьями, имеющими гладкую поверхность, дополнительную жесткость, прочность и устойчивость в пространстве. Так, лист манжетки благодаря ребристой форме удерживает тяжелую каплю воды и не сминается под тяжестью во много раз большей, чем его вес. В этом заключается одна из интереснейших закономерностей природы — сопротивляемость конструкций по форме. Она проявляется не только в складчатых листьях, но и тогда, когда листья или лепестки растений свертываются в трубочку, закручиваются в спираль, образуют причудливые желоба, то есть принимают другую пространственную форму без затрат на это дополнительного строительного материала. Такое изменение формы в пространстве обеспечивает растению, его листьям и цветкам наибольшую прочность и позволяет, например, закрученным длинным листьям рогоза держаться в вертикальном положении, а нежным, длинным лепесткам венерина башмачка противостоять ветру.
Принцип сопротивляемости конструкций по форме, существующий в природе, нашел широкое применение в современном строительстве. Складчатая конструкция — одна из простейших среди многообразия пространственных конструкций. Образованные из плоских поверхностей, они просты в изготовлении и в монтаже. Они могут перекрывать весьма большие сооружения, например, зал ожидания на Курском вокзале или легкоатлетический манеж Института физкультуры в Москве.
Подражая природным структурным формам, мостовикам удалось создать ряд оригинальных проектов и сооружений. Так, взяв за основу форму полусвернутого листа, инженеры спроектировали мост через реку, сочетавший в себе поразительную прочность и легкость, экономичность и красоту конструкции.

На открытке: манжетка, трансформированный лист злака, венерин башмачок. На фоне — лист бука. На фото — мост в виде полусвернутого листа. Схема принципа сопротивляемости складчатой конструкции.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

КОНУС

В живой природе функция и форма тесно сближены и взаимно обусловлены. Образование механических тканей живых организмов связано с интенсивностью роста и влиянием многих внешних факторов. Поэтому для конструктивной формы, например, стволов и стеблей растений характерно распределение строительного материала по линиям максимальных напряжений. Опорные элементы организма обладают значительной частью его массы. Одной из опорных форм в природе является конус. Он присутствует в конструктивном построении крон и стволов деревьев, стеблей и соцветий, грибов, раковин и пр.
Среди конусообразных форм природы встречаются два начала. Первое — это начало устойчивости. Оно выражается в форме статичного конуса, или конуса гравитации (конус основанием вниз). Это оптимальная форма для восприятия ветровых нагрузок и действия сил тяжести. Ее легко заметить в кроне или стволе ели, в шляпке или ножке белого гриба, сморчка обыкновенного, у гриба зонтика. Второе начало — это начало развития, которое выражается в форме динамического конуса, или конуса роста (конус основанием вверх). Примерами конуса роста являются гриб бокальчик, гриб лисичка, слоевища некоторых видов лишайника кладонии. Но чаще в природе проявляется взаимодействие двух конусов. На основании комбинаций двух одинаковых или разных по своему началу конусов возникают различные формообразования. Примером являются кроны многих деревьев, которые внизу начинают развиваться по принципу конуса роста, а заканчиваются по принципу конуса гравитационного — вершиной вверх.
Архитекторы в своем творчестве нередко используют принцип конуса. Так, в конструкции Останкинской телебашни отчетливо виден конус гравитации. Принцип конуса роста лежит в основе построения водонапорной башни в Алжире. Ярким примером взаимодействия двух конусов является конструкция водонапорной башни известного русского архитектора В. Шухова (1896).

На открытке: гриб зонтик острочешуйчатый, лишайник кладония красно-плодная, раковина моллюска конус. На фоне — ель. На фото — Останкинская телебашня (основание). Схема взаимодействия двух конусов разных начал.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

СЕТЧАТЫЕ, РЕШЕТЧАТЫЕ И РЕБРИСТЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-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 разветвляющейся в них сетке жилок. Этот каркас выполняет основную — несущую — роль, тогда как другие элементы конструкции, например, пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения. Это также один из примеров достижения прочности при минимальной затрате материала. Тонкие крылышки стрекозы коромысла делают до 100 взмахов в секунду, шмеля — более 200, комнатной мухи — до 300, а комара дергуна — до 1000 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. Особенно привлек к себе внимание лист тропического растения Виктории регии, встречающегося в водах Амазонки и Ориноко. Плавающие листья этой крупной водяной кувшинки вырастают до 2-х м в диаметре и выдерживают, не погружаясь в воду, вес до 50 кг. С нижней стороны этот лист как бы 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: радиолярий, диатомовых водорослей, некоторых грибов, раковин, даже микроструктура 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 никогда не работает на излом, а только на сжатие и растяжение. Подобная система может быть использована в конструировании опорных рам, ферм, подъемных кранов.

На открытке: муравьиный лев европейский (отряд сетчатокрылых), скелет диатомеи силскофлагеллаты, гриб решеточник (решетчатые конструкции), раковина скалярия (ребристые конструкции). На фоне — лист Виктории регии. На фото — потолок Туринской выставки. Схема строения головки тазобедренной кости.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

ФОТОСИНТЕЗ И АРХИТЕКТУРА

Под влиянием солнечной энергии в листьях растений происходит фотосинтез — замечательный процесс образования необходимых растению для жизни органических веществ (сахара и углеводов) из неорганических (воды, углекислого газа и минеральных солей), 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 их 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 явлениями. В северных и средних широтах или в затененных местах чаще встречаются растения с очередным листорасположением, обеспечивающим максимальный доступ солнечного света. Наименьшая затемняемость листьев достигается и при мозаичном их 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». Этот принцип хорошо виден в соцветиях люпина, дигиталиса или в конструкции елей.
В жарком климате, избегая излишнего солнечного облучения, растения сокращают поверхность листовой пластинки, или изменяют ее форму, как это происходит у кактусов, алоэ, саксаулов, или располагают, а иногда и поворачивают лист в сторону солнечного излучения не плоскостью, а ребром. Примером такого растения является 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 — зерно на початке), в которых жилые ячейки пространственно отдалены друг от друга и со всех сторон омываются 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.

На открытке: плющ (листовая мозаика), примула (розеточное расположение листьев), дигиталис (конусообразное соцветие и очередное листорасположение). Схема очередного листорасположения. На фоне — лист клена. На фото — здание музея В. И. Ленина в Ташкенте.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

УНИФИКАЦИЯ В ПРИРОДЕ

Мастерская природы богата формами. В ней встречаются окружности и овалы, ромбы и кубы, треугольники, квадраты и другие многоугольники. Виртуозно компонуя их, природа создала бесконечное множество сложных, удивительно красивых, легких, прочных и экономичных конструкций. Нередко природа унифицирует конструкции, то есть строит их из элементов одной и той же формы: лепестки цветов, семена злаков, семенная коробочка мальвы, головка чеснока, ягоды малины, ежевики, чешуйки рыб, змей, шишек, панцири животных и т. д. Такая повторяемость однотипных элементов в природе — явление закономерное. Наращивая все новые, но повторяющиеся, одинаковые элементы, организмы экономили этим время, материал и энергию, которые им в основном приходилось тратить на борьбу за существование и продолжение рода.
Наиболее экономичной в отношении затраты материала является конструкция, составленная из плотно сомкнутых правильных шестиугольников или шестигранников. Она очень часто встречается в природе: в панцирях черепах, чешуе змей, проводящих сосудах растений, в радиоляриях, диатомеях и т. д. Среди шестигранных конструкций наиболее замечательным творением природы являются пчелиные соты. Это самая экономичная и самая емкая форма, единственным конструктивным элементом которой является шестигранная призма (ячейка).
Принцип построения живых конструкций и унифицированных элементов используется строителями при возведении секционных домов из однотипных элементов. Конструкция пчелиных сот легла в основу изготовления «сотовых панелей» для строительства жилых зданий. В дальнейшем, с целью экономии материала, конструкторы стали собирать панели из одного элемента — треугольника с продленными сторонами. При сборке получается сотовая конструкция, но без двойных стенок. Наиболее вместимая при минимальных затратах строительного материала шестигранная призма легла в основу построения «сотовых» элеваторов под Новосибирском и в Целинограде. Весьма успешно используют принцип пчелиных построек и гидростроители — при возведении плотин, шлюзов и других гидросооружений (они применяют сотовые каркасы).

На открытке: малина, ячмень, панголин, чеснок. На фоне — пчелиные соты. На фото — монтаж дома из однотипных объемных элементов. Схема сотовой панели, собранной из треугольника с продленными сторонами.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

ВАНТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Паутинные нити — изумительное творение природы, самые тонкие линии, которые видит человек невооруженным глазом. Они представляют собой сложный комплекс белков, выделяемых пауком в виде тягучей жидкости, которая мгновенно застывает на воздухе. Сотни таких застывших нитей, переплетаясь, образуют видимую человеком нить. Паутина удивительно прочна: она крепче стальной проволоки того же диаметра и настолько эластична, что не рвется, растягиваясь почти на четверть своей длины. Вот почему натянутые и особым образом переплетенные ловчие сооружения пауков часто выдерживают определенный натиск ветра и удары капель дождя. Ловчие сети пауков представляют собой большое разнообразие висячих, плетеных сооружений, поскольку каждый вид этого животного строит сеть собственной формы и конструкции. Легкие, изящные и прочные плетения пауков привлекли внимание инженеров. В частности, паутина явилась прообразом конструкции моста на длинных гибких тросах, положив тем самым начало строительству прочных красивых подвесных мостов.
Принципы построения природных конструкций из тонких натянутых нитей, а также конструкций из нитей с натянутыми между ними мембранами легли в основу вантовых конструкций. Прототипами для них послужили помимо паутины такие, например, природные модели, как перепончатые лапы водоплавающих птиц, плавники, рыб, крылья летучих мышей и др.
В вантовых конструкциях основным несущим элементом сооружения служит «стальная паутина» — разным образом натянутые стальные тросы или система тросов (тросовые фермы), по которым укладываются тонкие мембраны из стали, алюминия, дерева и пр. Для покрытия зданий с большим пролетом вантовые конструкции сейчас представляются наиболее эффективным решением. Здания с висячими покрытиями возводятся во многих городах нашей страны. В Ленинграде, например, построен универсальный спортивный зал с покрытием в виде мембраны диаметром 160 м, толщиной 6 мм. Крыша-мембрана спортивного зала Олимпийского стадиона в Москве толщиной 5 мм перекрывает без единой промежуточной опоры площадь свыше 30 тыс. м2.

На открытке: летающая рыба, пеликан. На фоне — ящерица летающий дракон. На фото — Олимпийский спортивный стадион на проспекте Мира. Схема двухпоясного висячего покрытия.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

ОБОЛОЧКИ

В мастерской природы часто встречаются конструкции в виде сводов различных пространственных форм (скорлупа ореха и яйца, панцири и раковины животных, гладкие листья, лепестки растений и др.). Пространственно изогнутые и тонкостенные, они, благодаря непрерывности и плавности формы, обладают свойством равномерного распределения сил по всему сечению. Геометрия формы помогает этим сводчатым конструкциям стать прочнее. Именно потому, что лепесток цветка изогнут, он выдерживает удары капель дождя, садящихся на него насекомых, а тонкие сводные панцири морских ежей, крабов и раковины моллюсков — давление воды в глубине моря.
Идеальную по прочности форму изобрела природа для тонкой яичной скорлупы. В ней также нагрузка из одной точки передается на всю ее поверхность. Но своеобразие этой конструкции не только в особой геометрической форме. Несмотря на то, что толщина скорлупы равна примерно 0,3 мм, она состоит из семи слоев, каждый несет свою определенную функцию. Слои не расслаиваются даже при самых резких изменениях температуры и влажности, представляя собой яркий пример совместимости материалов с различными физико-механическими свойствами. Повышенную прочность яичной скорлупе придает еще тонкая эластичная пленка, которая превращает скорлупу в конструкцию с предварительным напряжением.
С развитием городов и ростом населения перед строителями встала задача проектирования больших по размеру зданий без тяжелых трудоемких покрытий и промежуточных опор. Поэтому легкие и прочные, тонкостенные и экономичные природные сводчатые конструкции заинтересовали архитекторов. Принцип конструкции этих оболочек лег в основу создания легких, большепролетных стальных и железобетонных покрытий различной кривизны, которые нашли широкое применение при строительстве спортивных комплексов, кинотеатров, выставочных павильонов и т. д. Основное качество таких покрытий — легкость, и чем больше пролет, тем легче купол. В современных постройках толщина купола измеряется миллиметрами, и получили такие купола название оболочек-скорлуп.
Примерами таких конструкций являются кровля выставочного павильона в Париже, напоминающая лепесток цветка, она перекрывает без опор пролет более 200 м, крыша выставочного павильона в Ереване, купол цирка в Казани, крыша торгового центра в Челябинске, имеющая вид оболочки двоякой кривизны, покрывающей без единой промежуточной опоры площадь более гектара.

На открытке: бабочка, сидящая на лепестке цветка лилии, панцирь морского ежа, слоновая черепаха. На фоне — яйцо. На фото — здание цирка в Казани. Схема оболочки в виде седла («гипар»).

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

ПОЛЕТ НАСЕКОМЫХ

Одним из изумительных творений мастерской природы является летательный аппарат насекомых. По экономичности полета, относительной скорости и маневренности насекомые не имеют себе равных ни в живой природе, ни в современной авиационной технике.
Бабочки адмиралы или репейницы, совершая дальние полеты в Африку, находятся в воздухе в течение многих часов. Они преодолевают такие гигантские расстояния благодаря высокой экономичности работы своего организма («мотора»). Бабочки расходуют «горючего» (жиров, углеводов и пр.) гораздо меньше, чем самолет топлива. И хотя скорость их полета невелика по сравнению с современными самолетами (самая большая — у стрекозы-дозорщика — достигает 144 км/час), но если сравнивать, сколько раз укладывается длина тела летуна в полете за единицу времени, то окажется, что относительная скорость у насекомых намного больше. Несравнимо выше и маневренность полета насекомых. Так, мухи из семейства сирфид могут подолгу зависать в воздухе, а затем быстро снижаться и мягко вертикально садиться даже на неровную площадку. 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 и вниз. Чтобы не возникали при полете вредные колебания, на конце крыльев у быстролетающих насекомых имеются хитиновые утолщения (птеростигмы). Авиаконструкторы после долгих поисков придумали самостоятельно подобное для крыльев самолетов. Но если бы они в свое время обратили внимание на птеростигмы насекомых, то разгадка причины флаттера — вибрации самолетного крыла — пришла бы гораздо раньше.
Маленьким чудом природы является 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.
Полет насекомых — процесс сложный и во многом еще не разгаданный. Но идея создания летательного аппарата по принципу полета насекомых — энтомоптера — зародившаяся в глубокой древности, продолжает оставаться на повестке дня биоников. Изучение летных особенностей насекомых открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных устройств в авиаконструкции. И там, где удается раскрыть их секреты, конструкторы стремятся создать аналогичные. Так, например, был разгадан секрет жужжальцев — недоразвитых задних крыльев в виде булавовидных придатков, имеющихся у некоторых насекомых, например у мух. Во время полета жужжальца колеблются в определенной плоскости и служат насекомому органом, определяющим отклонение 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.

На открытке: клоп гладыш, муха из семейства сирфид (шмелевидка прозрачная), жук голиаф, бабочка языкан. На фоне — стрекоза дозорщик. На фото — самолет вертикального взлета и посадки. Схема действия прибора гиротрона.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОТОТИПЫ

Тысячелетиями мечтал человек подняться в небо и полететь подобно птице или другим летающим конструкциям, созданным природой. Первым, кто начал изучать механику полета живых моделей с бионических позиций, был великий Леонардо да Винчи. Он пытался построить летательный аппарат с машущим крылом. В дальнейшем глубокий анализ общих принципов функционирования живых организмов и машин дал наш замечательный ученый Н. Е. Жуковский.
Авиаконструкторы при создании самолетов не обращались в «патентное бюро природы», и лишь возникшая в наше время необходимость в резком повышении экономичности, надежности и маневренности летающих машин привела их к живым моделям.
По скорости, высоте и продолжительности полета птицы не имеют равных себе в животном мире. Например, скорость полета некоторых куликов достигает 80—90 км/час, а иглохвостых стрижей — 170 км/час. На высоту более 8 км подымаются гуси и галки. Птицы совершают длительные беспосадочные перелеты. Бекасы, например, мигрируя из Японии в Восточную Австралию, пролетают без посадки почти 5 тыс. км!
В таких длительных, часто беспосадочных перелетах проявляется экономичность полета птиц, которую определяют по соотношению массы летуна к мощности его «двигателя». Ученые установили, что летательный механизм, например аиста, почти в 10 раз экономичнее, чем у самых совершенных самолетов.
Машущий полет отличается и большей безопасностью и маневренностью. Так, иглохвостые стрижи на скорости 170 км/час вихрем проносятся у самой поверхности земли, взмывают вверх и снова возвращаются обратно. Со скоростью 360 км/час пикирует с высоты сокол сапсан и почти у самой земли, не поймав добычу, без взмаха крыльями устремляется в небо. Высокой маневренностью отличается полет альбатросов, ласточек и особенно колибри. Эти маленькие, стремительные в полете птички могут подолгу «висеть» в воздухе на одном месте, чаще около цветка, собирая нектар. Они могут летать боком и даже «задним ходом». Эти качества достигаются благодаря высокой частоте взмахов крыльев (более 50 раз в секунду) и тем, что машут колибри не вертикально, как все птицы, а горизонтально.
По сравнению с неподвижным машущее крыло создает максимум подъемной силы и минимум лобового сопротивления. Конструкторы многих стран заняты сейчас изучением механики полета птиц, созданием летательных аппаратов с подвижными, машущими крыльями: махолетов и орнитоптеров.

На открытке: гусь гуменник, пикирующий сокол сапсан, колибри мечеклюв. На фоне — эскиз крыла летающей машины Леонардо да Винчи. На фото — сверхзвуковой самолет с изменяемой стреловидностью крыла. Схема образования воздушных струй вокруг крыла летящей птицы.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

КАМЕРНЫЙ ГЛАЗ ЖИВОТНЫХ

Для всех позвоночных, головоногих моллюсков и пауков характерны глаза так называемого камерного типа, то есть сходные с устройством фотоаппарата. И хотя по сравнению с глазом человека глаза животных устроены не столь сложно, некоторые из них обладают уникальными свойствами.
Так, глаза хищных птиц отличаются большой зоркостью. Например, зрение канюка в 8 раз острее, чем у человека. Многие птицы способны видеть сквозь дымку и туман, а голубь может не мигая смотреть на солнце. Глаз голубя обладает также необыкновенной способностью избирательно воспринимать объекты, движущиеся в определенном направлении. Не раз использовали этих птиц на конвейерах для обнаружения почти микроскопического брака, невидимого глазом человека. На основе изучения механизма глаза голубя проектируется оптический прибор (оптический решающий фильтр) для опознавания объемных предметов.
Удивительны по своему избирательному видению и глаза лягушки. Лягушка видит только движущиеся предметы, причем только те, которые ее интересуют, то есть которые по форме, размерам, характеру движения ассоциируются у нее с пищей (насекомыми) или врагом (тенью от быстро надвигающегося предмета). Изображение того, что видит лягушка, возникает в результате наложения в ее мозге четырех тонких слоев нервных клеток, соответствующих четырем стадиям трансформации изображения. Глаз лягушки — это превосходная биологическая информационная система, перерабатывающая всю поступающую информацию и выбирающая из нее только ту, которая представляет для лягушки интерес. По принципу работы глаза лягушки уже создано несколько типов электронных моделей, которые нашли широкое применение на аэродромах для обнаружения летящих самолетов и контроля за их движением.
Привлекает внимание биоников и механизм глаз животных, которые видят в темноте. На дне таких глаз имеются своеобразные зеркальца из мелких серебристых кристаллов. Отражаясь от них, свет дважды проходит через сетчатку, благодаря чему животные улавливают большее количество света: кошка, например, видит предметы при освещенности в 6 раз меньшей, чем человек. В зависимости от формы и размера кристаллов глаза животных светятся в темноте различными цветами: у крокодилов, например, красным, у кошек — зеленым. В настоящее время на основе свойства некоторых животных видеть в темноте создан прибор — «кошачий глаз».

На открытке: канюк, глаз жабы, глаз лягушки жерлянки, глаз кошки, леопардовая лягушка. На фоне — нильский крокодил. На фото — электронная модель глаза лягушки. Схема обработки информации в глазу лягушки.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

В МИРЕ ЗАПАХОВ

В жизни многих животных, от насекомых до млекопитающих, обоняние играет первостепенную роль. Запахи для этих животных — это их язык, глаза, система информации. С помощью обоняния они добывают пищу, обнаруживают врагов, узнают особей противоположного пола и свое потомство, ориентируются в пути.
В мире запахов живет большинство млекопитающих, и многие из них используют запахи для того, чтобы отметить свои территории, как это делают олени, медведи, барсуки, лемуры, мыши и другие, или обменяться друг с другом информацией. Человек с давних пор использует необыкновенный нюх собак, которые различают до полумиллиона запахов.
Велико значение обоняния для рыб. Лососи и некоторые другие проходные рыбы-кочевники, совершающие миграции, ориентируются в пути не только по солнцу, но и пользуются замечательной памятью на запах родного водоема. Необычайно тонкое обоняние у акул. Они «чуют» добычу за несколько сотен метров и, ведомые только одним запахом, находят ее в океанских просторах.
Обоняние играет большую роль в питании и продолжении рода у насекомых. Органы химического чувства — хеморецепторы — расположены у них на усиках и лапках. Чувствительность некоторых насекомых поразительна. Примером непревзойденного пока уровня чувствительности является «химический локатор» тутового шелкопряда. Пушистые усики-антенны самца улавливают в воздухе единичные молекулы вещества, выделяемого самкой за 10 км.
Такие насекомые как муравьи оставляют химические следы, чтобы помочь своим собратьям отыскать источник пищи, а при опасности оставляют «запах смерти». По запаху муравьи определяют и форму предметов.
Анализаторы запахов, созданные в мастерской природы — это миниатюрные, быстродействующие, высокочувствительные системы, не имеющие себе равных. В них заложены безграничные возможности для исследования и технического меделирования. И хотя о механизме хеморецепторов чувства животных еще мало что известно, учеными ведутся работы по моделированию «искусственного носа» — анализаторов запаха в различных областях деятельности человека, например для медицинской диагностики. Создана модель своеобразного запахолокатора, в котором в качестве чувствительного элемента использована обыкновенная муха с подключенными к ней электродами.
Среди птиц обонянием пользуется новозеландская птица киви, которая своим длинным носом «вынюхивает» насекомых, червей и пр.

На открытке: киви, лемур катта, муравьи рыжие (род формика). На фоне — сельдевая акула. На фото — антенны шелкопряда. Схема обонятельной клетки с чувствительными ресничками.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

ЖИВЫЕ РАДАРЫ

У некоторых животных слух «заменяет» зрение. Издавая звуки и чутко прислушиваясь к их отражению, они обнаруживают таким образом на расстоянии или в темноте добычу, врага, препятствие и прочее.
С помощью эха выискивают личинок жуков-короедов дятлы. Выстукивая длинным носом стволы деревьев, дятел «на слух» отыскивает внутри ствола ходы короеда. И прослеживая по звуку извилистый лабиринт, долбит именно в том месте, где прячется личинка. Таким же способом ищет себе личинок и жуков ночной житель мадагаскарских джунглей лемур аи-аи (руконожка). У руконожки очень длинные пальцы, особенно третий. Этим пальцем лемур тихонько выстукивает старые деревья и на слух определяет местоположение личинок.
С помощью только одного слуха в полной темноте летает и добывает пищу ночная сова сипуха. Особое устройство слухового аппарата позволяет ей не только улавливать малейшие шорохи, но и определить местонахождение источника звука, то есть ориентироваться.
Звуковой способ ориентации обнаружен и у птиц «вечной ночи»— гуахаро, живущих в темных пещерах Южной Америки. Кормиться эти птицы вылетают ночью. Во время полета гуахаро издают серию щелчков и по отраженной звуковой волне определяют местонахождение отдаленных предметов, а по времени между началом сигнала и возвращением эха — расстояние до них. Используют эхолокацию и широко распространенные в Юго-Восточной Азии стрижи саланганы, когда возвращаются после дневной охоты к своим гнездам, расположенным в темных пещерах. Ученые предполагают также возможность существования звуковой локации у некоторых насекомоядных животных и грызунов.
Радары (радиолокационные установки) были созданы несколько десятков лет назад. С их помощью по эхо-сигналу, отраженному от удаленного объекта, устанавливают местонахождение объекта, направление и скорость его движения. Природа в своей мастерской создала подобную систему намного раньше, чем человек, только вместо радиоволн живые модели пользуются звуковыми.

На открытке: лемур аи-аи, сова сипуха, стриж саланган, сумчатая летяга. На фото — радар. Схематическое изображение звуковой волны.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

КРЫЛАТЫЕ ЭХОЛОКАТОРЫ

Долгое время оставалась загадочной способность летучих мышей летать в абсолютной темноте и ловить «на ходу» насекомых, не задевая встречные предметы. Лишь в наше время благодаря специальной аппаратуре было установлено, что природа, создавая живые модели, наградила некоторые из них, в том числе летучих мышей, способностью издавать звуки, с частотой колебаний выше 20 тыс. герц, то есть ультразвуки, недоступные слуху человека. Беспрестанно издавая в полете ультразвуковые сигналы (импульсы) и воспринимая их эхо, отраженное от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространство, осуществляя ультразвуковое «видение». Рупором для распространения звука у летучих мышей семейства гладконосых служит рот, а у подковоносых — ноздри. Важную роль в распространении ультразвука у подковоноса играют причудливые образования вокруг ноздрей. Они действуют как отражатели, концентрируя ультразвуковые сигналы в узкий, расходящийся пучок, в то время как у гладконосых сигналы распространяются во всех направлениях. «Приемником» отраженного звука у летучих мышей являются их необыкновенно чуткие уши, которые у некоторых видов, например, ушанов, достигают значительных размеров.
Локатор летучих мышей высокоточен, надежен, ультраминиатюрен. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз эффективнее всех локационных систем, созданных человеком. С помощью такого ультразвукового «видения» летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволочку диаметром 0,12— 0,05 мм, улавливают эхо, которое в 2 тыс. раз слабее посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделять полезный звук, то есть только тот, который им нужен.
Интересно, что некоторые ночные бабочки из семейства совок и златоглазки оказались также чувствительны к ультразвуковым сигналам. Они всспринимают импульсы летучих мышей на гораздо большем расстоянии, чем сама мышь, то есть несколько раньше, чем та их может обнаружить, и таким образом могут избежать опасности. А некоторые бабочки сами способны издавать ультразвуковые импульсы, которые отпугивают летучих мышей, предупреждая о несъедобности насекомого.
Изучение ультразвуковых локаторов, созданных в мастерской природы, только начинается. Моделирование живых локаторов открывает новые перспективы использования их конструкций в качестве чувствительных элементов различных технических систем. На основе принципа эхолокации летучих мышей конструируются модели приборов-поводырей, фонарей, ультразвуковых очков-локаторов для слепых и т. п.

На открытке: златоглазка, совка ленточная. На фоне — летучая мышь ушан. На фото — модель ультразвукового прибора-поводыря. Схема ультразвукового импульса подковоносой летучей мыши.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

МОЗАИЧНОЕ ВИДЕНИЕ

Глаза насекомых и других членистоногих — сложные органы. При сильном увеличении можно увидеть, что такой глаз состоит из многих крошечных «окошечек»-фасеток. Каждая фасетка является концом структурной единицы глаза — омматидия. Таким образом сложные глаза состоят из многих тысяч омматидиев — изолированных друг от друга простых глазков. Например, глаз речного рака состоит из 3 тыс. омматидиев, глаз комнатной мухи — из 4 тыс., а глаз стрекозы — из 28 тыс.! Каждый омматидий одновременно воспринимает свет и создает изображение. В результате совместной работы всех омматидиев сложный глаз дает не единое изображение предмета, а разлагает его на тысячи отдельных кусочков, то есть создает мозаику, в которую каждый элемент глаза вносит свое, отдельное изображение. Малейшее смещение предмета смещает и изображение с одного омматидия на другой. Поэтому сложный глаз исключительно точно реагирует на движение, и поскольку движущийся предмет последовательно появляется в разных глазках, это дает возможность насекомому определить скорость перемещения предмета. Основываясь на этом принципе, конструкторы создали прибор, способный мгновенно измерять скорость самолетов, попавших в поле его зрения. Бионики создали измеритель путевой скорости самолета относительно Земли. Была разработана фотокамера «мушиный глаз» для особо точных репродукций с оригиналов. Такая камера отличается высокой разрешающей способностью и большой скоростью съемки.
Сложные глаза могут воспринимать ультрафиолетовую часть спектра, кроме того бабочки, пчелы, шмели, жуки и другие насекомые, посещающие цветы, различают цвета (но в какой мере и какие именно, еще мало известно). Наземные и водные членистоногие различают также поляризованный свет, то есть световые лучи, электромагнитное колебание которых совершается в одной плоскости. Омматидий имеют своеобразные фильтры, которые пропускают поляризованный свет солнца с разной интенсивностью в зависимости от направления движения насекомого, что позволяет насекомым ориентироваться по солнцу даже тогда, когда оно закрыто плотными облаками. Используя этот принцип сложного глаза, бионики создали прибор «небесный компас», определяющий положение солнца по поляризованному свету и служащий средством навигации.

На открытке: жук плавунец окаймленный, шмель, пчеложук пчелиный, стрекоза плоская. На фоне — речной рак. На фото — глаз насекомого (сильно увеличено). Схема строения сложного глаза насекомого.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

ПРИРОДНЫЕ ТЕРМОЛОКАТОРЫ

Немногие животные имеют органы, воспринимающие на расстоянии тепловые (инфракрасные) лучи. Такие органы — термолокаторы — в жизни этих животных играют исключительно важную роль. Птицы из семейства сорных кур с их помощью выводят потомство. Петухи глазчатых сорных кур буквально регулируют температуру гнезда, имеющего вид холма или кучи, внутри которой находятся яйца. В течение долгого инкубационного периода, до тех пор пока птенцы не вылупятся и не выберутся на поверхность, эти птицы заняты только тем, что поддерживают в гнезде постоянную температуру, то разбрасывая верхний слой гнездового материала, то снова нагребая его наверх, и постоянно пробуют его клювом, на котором находятся терморецепторы. Куры определяют температуру почвы с точностью до десятой доли градуса.
С помощью терморецепторов, расположенных на усиках-антеннах, улавливают тепло на расстоянии ночные бабочки совки и некоторые мухи, а также клопы и комарихи, отыскивающие теплокровных животных. Среди насекомых особенно чувствительны к инфракрасным лучам дымные жуки (златки пожарищ). Помимо терморецепторов на усиках они имеют еще дополнительные терморецепторы у основания средних ног. Используя их как теплопеленгаторы, жуки ощущают тепловое излучение за 100 км и летят на место пожарища, поскольку откладывают яички в теплый пепел.
Есть терморецепторы и у некоторых обитателей морских глубин, например, у кальмара мастиготевтиса. Кроме основных глаз у этого кальмара на нижней части туловища имеется около тридцати термоскопических, которыми он «видит» тепловые лучи на расстоянии и узнает о приближении кашалотов.
Наибольшей чувствительностью обладают термолокаторы гремучих змей. Терморецепторы азиатских щитомордников и американских гремучих змей — самые высокочувствительные в животном мире. Находятся они в «лицевых» ямках, между глазами и ноздрями змеи. Каждая ямка — это полость с наружным отверстием, на дне которой натянута тонкая мембрана, содержащая множество терморецепторов. Они реагируют на изменение температуры в тысячную долю градуса и позволяют змее обнаруживать на расстоянии объекты, температура которых всего лишь на десятую долю градуса выше или ниже температуры окружающей среды.
Задолго до того, как биологи обнаружили у ямкоголовых змей их термолокаторы, ученые и инженеры уже создали целый ряд устройств, весьма чувствительных к тепловому излучению: снайперские винтовки, инфракрасные прицелы, термистеры — термочувствительные сопротивления. В современной технике существуют инфракрасные детекторы, которые в сотни тысяч раз чувствительнее природных термолокаторов. С их помощью обнаруживают нагретые предметы на очень больших расстояниях, например, летящий на высоте самолет, или определяют температуру небесного тела. Но бионики продолжают изучать термолокаторы змей, поскольку они таят в себе еще много неразгаданного.

На открытке: глазчатая сорная курица, гремучая змея. На фоне — кальмар мастиготевтис. На фото — дистанционный инфракрасный термометр. Схема строения «лицевой» ямки ямкоголовой змеи.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

 

 

 

 

ИСКУСНЫЕ НАВИГАТОРЫ

В природе существует много поразительных примеров способности к навигации у некоторых обитателей водной стихии.
Так, чтобы продолжить свой род огромные морские черепахи много раз в течение своей жизни приплывают именно в то место, где родились. Зеленые, или суповые черепахи (бразильская популяция), например, плывут от берегов Южной Америки к затерянному в Атлантическом океане небольшому острову Вознесения, удаленному от материка на 2 тыс. км! Чтобы найти его в океанских просторах, черепахи осуществляют не просто ориентацию, а подлинную навигацию, поскольку должны точно определять свое местоположение в океане. Кроме того, чтобы правильно проложить курс к родным берегам, черепахам необходимо учитывать и ветер, и течение. Но какими ориентирами и какими навигационными устройствами пользуются эти животные, пока остается для человека загадкой.
Каждый год совершают полные опасностей и трудностей путешествия из океана в родные реки лососевые рыбы. Преодолевая течение и пороги, они плывут на нерест вверх по рекам, стремясь во что бы то ни стало попасть туда, где родились. Ученые предполагают, что, пробираясь к устью рек, лососи ориентируются по солнцу, но далее, отыскивая путь вверх по реке, руководствуются обонятельными сигналами. Доказано, что лососи каким-то образом улавливают особый запах своего родного водоема, но сам механизм, составляющий своего рода запахограмму маршрута, не разгадан. Не разгадано также, как определяют животные время начала путешествия, что управляет их миграциями.
Остается не раскрытым и секрет действия «механизма навигации» угрей. Долгое время оставался не разгаданным вопрос о рождаемости угрей и о месте их нерестилищ. Только в конце XIX века ученым удалось обнаружить личинки угрей, совсем не похожих на взрослых рыб, а в начале нашего столетия было обнаружено и место нерестилища угрей. Выяснилось, что, достигнув определенного возраста, угри отправляются в далекое путешествие — в Саргассово море, где откладывают икру и погибают. Вылупившиеся личинки (лептоцефалы) пускаются обратно по неведомому им пути, например, европейские угри через Атлантику к берегам Европы, проводя в «дороге» целых три года.
Далекие миграции совершают сельдь, тюлька, треска, некоторые тюлени, морские котики и многие киты.

На открытке: европейский угорь, личинка угря, тюлень хохлач. На фоне — морская суповая черепаха. На фото — карта путей миграции угря.

Художник А. Семенцов-Огиевский
© «Изобразительное искусство» Москва. 1981. 4-474. Ц. 5 к. Т. 150000.
Отправлять только в конверте. З. 1512. 4223211. КПК

С
80205-372
024(01)-81
222-81

 

 

 

Главная страница
Открытки
Форум
Гостевая книга