Біологія
Технології
Біологія
Технології

Панцир, жабри, два крила Навіщо авіаінженери спостерігають за жуками, совами й окунями

Todd Steitle / Unsplash

Todd Steitle / Unsplash

Ми знаємо безліч прикладів того, як вчені надихаються тваринним світом та полегшують нам життя новими технологіями. Від світловідбивачів на дорозі, які імітують котячі очі до хірургічних інструментів, створених на прикладах паразитичних ос чи восьминогів. Так само авіаінженери також не витрачають часу й навіть цікавляться не лише бьордвотчінгом, як може здатися на перший погляд, а і твердокрилими та рибами. Тож чим літакобудуванню, крім крил птахів, стануть у пригоді броненосні жуки та європейські окуні?

Що можна взяти від безкрилих?

На перший погляд здається, що літакобудування — суто пташина справа та решта тваринного світу просто не витримає конкуренції. Але вчені з вами не погодяться: не менш важливими характеристиками для літака є можливість його поверхонь витримувати пошкодження чи зледеніння, а з такими проблемами птахи майже не стикаються. На відміну від намібійських пустельних або броненосних жуків.

Під час польоту, переохолоджені краплі води в атмосфері швидко кристалізуються, утворюючи крижані нарости на літаку: від лобових поверхонь крил і гвинтів до датчиків пілотажно-навігаційних приладів та рулів висоти й напряму. Зазвичай від цього авіамеханізми намагаються захистити попередньою протиобмерзною обробкою: ручним прибиранням льоду, використанням протизледнювальних рідин або нагріву поверхні. Проте американські вчені вирішили підійти з іншого боку: якщо кристалізації атмосферної вологи уникнути неможливо, то її потрібно ефективно використати. І на цю думку їх наштовхнув намібійський пустельний жук Stenocara gracilipes.

Пустельна підприємливість або як робити воду з повітря

Stenocara gracilipes особливо ніде брати воду — у пустелі Наміб усього 10–13 міліметрів осадів у рік. Однак, зранку в пустелі з’являється водяна пара, яку жук навчився збирати своїм панциром: волога конденсується у воду на поверхні виступів панцира, після чого крапельки води скочуються в улоговинки між ними й поступово переміщуються до ротового отвору жука. Спостерігаючи за цим, інженери припустили, що за подібним принципом можна утворювати не лише точки конденсації вологи, а й точки її кристалізації, які можна буде контролювати. Так вони створили матеріал, на якому чергувались гідрофільні та гідрофобні зони, утворюючи центри кристалізації, відстань між якими можна контролювати: чим далі вони утворюються, тим менша ймовірність зледеніння поверхні.

Як вчені переїхали жука машиною і їх не замучила совість

Свою назву — твердокрилі, жуки отримали у зв’язку із перетворенням передньої пари крил у хітинізовані тверді надкрила, які використовуються в польоті за принципом крила літака. Однак жук Nosoderma diabolicum або «диявольський жук», що мешкає на західноамериканському побережжі, зовсім не вміє літати — у ході еволюції його надкрила зрослися з тулубом та між собою. Але попри це, він має безліч інших цікавих здібностей: вміє зливатися з поверхнею завдяки своєму окрасу, прикидатися мертвим, а також здатний витримати навантаження в 39 тисяч разів більше за свою власну вагу — вижити навіть після наїзду легкового автомобіля. Останнє й зацікавило американських інженерів, тому вони вирішили лабораторно дослідити, що саме робить комашиний панцир таким міцним і використати це готове рішення для створення більш стійких до пошкоджень матеріалів.

Панцир Nosoderma diabolicum майже нічим не відрізняється від панцирів його сородичів: нероз’ємно зв’язані між собою, мов пазл, два надкрила. Проте на відміну від інших, у диявольського жука, надкрила зрослися за принципом паз-гребінь. Причому є декілька багатошарових гребенів, які й розподіляють навантаження та не лопаються, а лише розшаровуються. Також по всій довжині «шву» між надкрилами та нижньою частиною екзоскелета вчені виявили різну жорсткість, яка є найбільшою в області життєво важливих органів та знижується в інших частинах тіла комахи, щоби панцир міг прогинатися, не порушуючи цілісність.

Щоби перевірити, чи можна таку схему з’єднання на практиці, вчені виготовили кілька деталей із вуглепластику та порівняли його міцність із запобіжним клапаном Hi-Lok, який використовують в авіабудуванні. У результаті, як стверджують інженери, конструкція, створена за подобою будови панцира Nosoderma diabolicum, витримала більший тиск та краще справилася з піковими навантаженнями.

А птахи ще цікаві авіабудуванню?

На перший погляд дійсно може здатися, що всі можливі технології для авіації від птахів ми вже підгледіли й тепер залишається хіба що рятувати літаки від зіткнень із пернатими. Ми маємо детектори попередження турбулентності, створені на основі пташиних механорецепторів, більш енергоефективні стратегії польотів, на які вчених надихнули пташині ключі та протиаварійні системи за прикладом польотів хвилястих папужок. Проте, птахам ще є чому повчити авіаінженерів, та здається, сови стали їхніми улюбленцями.

Як побороти вітер і залишитися непочутим — уроки від сови

Насправді те, що інженери надають перевагу совам — не дивно, адже ці птахи поєднали в собі дві вкрай потрібні авіації характеристики — безшумність та здатність протистояти турбулентності. Безшумності сови досягають перетворюючи турбулентний потік повітря на ламінарний, який плавно обтікає їх, не утворюючи жодного звуку. Це можливо завдяки будові крил — зазубреним по краях та розпушених на кінці, що утворює додаткове звукоглушіння. І цю їхню особливість вчені різними способами намагаються втілити на практиці. Один із варіантів — побудова лопатень турбін або гвинтів за прикладом совиного пір’я. Так вчені розробили звукоізоляцію літаків, яка знижує рівень шуму на 30 децибелів — надрукований на 3D-принтері матеріал, що майже повторює мікроструктуру пір’їнок птахів.

А про протистояння птахів сильним поривам вітру відомо небагато, адже такі дослідження мають комплексно зачіпати кінематику руху як птаха, так і повітряних потоків. Британські інженери вирішили спробувати з’ясувати особливості цих механізмів і за приклад узяли сипуху на ім’я Лілі. Заінтриговані надзвичайною здатністю цих птахів зберігати стабільність польоту в умовах поривистого вітру навіть поблизу будівель, вчені змусили сипуху (Tyto albo) літати по лабораторії. За допомогою знімання з десяти високошвидкісних відеокамер дослідники отримали тривимірну модель сипухи і з’ясували, що цим птахам достатньо лише двох механізмів, які дають змогу літати за важких погодних умов навіть не змінюючи положення голови й тулуба. Спочатку сипуха всього за 80 мілісекунд згрупувалася: опустила тулуб, піднявши крила, щоби компенсувати силу впливу повітряного потоку й не напружувати крила, а потім коригувала кут нахилу та форму крил, щоби не викривлювати траєкторію польоту. За словами вчених, саме ці дві дії дали змогу Лілі владнати навіть із потоками вітру, рівними її власній швидкості — 7,7 метра на секунду, та спокійно долетіти до їстівної цілі.

3-D реконструкція польоту Лілі під час сильних поривів вітру / Proceedings of the Royal Society B, 2020

3-D реконструкція польоту Лілі під час сильних поривів вітру / Proceedings of the Royal Society B, 2020

NAUKA.UA

Насправді подібні механізми подолання вітру є не лише в сипух. Так вчені під час експедиції на Пташиний острів з’ясували, що в альбатросів та гігантських буревісників, на відміну від інших птахів, є так званий «плечовий замок», який утримує крила на одному рівні для утримання курсу під час сильного вітру. Вчені інтерпретували це як еволюційну адаптацію для зменшення витрат енергії. Або так само як сипуху Лілі, у лабораторії змушували долати повітряний коридор пташок із родини какаду — корел Nymphicus hollandicus та колібрі Calypte anna. Тоді інженери з’ясували, що корели також навчилися заощаджувати енергію під час польоту в сильному вітрі, повертаючи крила, а колібрі завдяки підгинанню хвоста можуть долати навіть вітер у 6 разів швидший за них.

До речі, тваринам навіть не обов’язково вміти літати, щоби бути корисними авіабудуванню — ми, наприклад, уже писали про європейських окунів, луску яких інженери також досліджували на предмет турбулентно-ламінарного переходу. З’ясувалося, що лобовий опір сучасних літальних апаратів може зменшитися на 25 відсотків, якщо на етапі конструювання звернутися до особливостей топології риб’ячої луски. Тож необов’язково вигадувати велосипед та списувати з рахунків тварин, які не літають, якщо ви будуєте літаки — часто природа потурбувалася вже до вас і достатньо лише це помітити.


Фото в анонсі: skitterphoto / pexels