Юный техник, 2006 № 07

ПОЛИГОН Высший пилотаж в… капельке воды

Не спешите выбрасывать старый уведший букет цветов, а соскребите с его мокрых стеблей частицу прозрачного налета и растворите ее под микроскопом в капле воды. При 150 — 300-кратном увеличении можно увидеть, как в ней носятся инфузории. Их тела прозрачны, словно льдинки. Не делая своим корпусом ни малейшего движения, они ловко избегают столкновений друг с другом. Огибая препятствия, словно самолеты, наклоняют корпус, закладывают боевые развороты и виражи.

Быстрота реакции у инфузорий отменная. Не каждый из нас смог бы управлять моторной лодкой или мотоциклом столь ловко.

Какой же движитель позволяет этим крохотным созданиям перемещаться? До конца это не известно. Однако при очень больших увеличениях у инфузорий можно разглядеть тонкий слой ресничек (рис. 1).

Они колышутся, создавая волны, которые проталкивают прилегающий к поверхности тела слой воды. Это колыхание ресничек строго согласовано как между собою (ресничка с ресничкой), так и в целом, отвечая текущей задаче организма: обогнуть препятствие, убежать или кого-нибудь догнать. Чтобы все это делать, нужно все-таки хоть как-то видеть и думать. Но это еще одна загадка — как утверждают учебники, ни зрения, ни нервной системы инфузория не имеет…

Сотнями и тысячами ресничек оснащены не все инфузории. У многих микроорганизмов число их резко сократилось, и они превратились в длинные извивающиеся жгутики (рис. 2).

Способы плавания микроорганизмов для техники крайне интересны. Человек давно научился создавать тягу, необходимую для движения судов, при помощи гребных колес и винтов. Но если бы мы уменьшили размеры и скорость движения, например, гребного винта в тысячи раз, до величин, свойственных миру инфузорий, вода для них превратилась бы в нечто подобное густой патоке или меду.

Движители же микроорганизмов в этих условиях прекрасно работают и по своей экономичности почти не уступают обычным судовым винтам, хотя теория пока не может раскрыть до конца их секреты.

Ученые и изобретатели пошли по пути копирования движения живых существ. Сложнее всего было скопировать волновой процесс, происходящий, как считают ученые, на поверхности, покрытой ресничками. Но в общих чертах это удалось сделать профессору Н.В.Меркулову в конце 1960-х годов, когда перед ним встала задача уменьшения сопротивления, возникающего при движении воды в гибком резиновом шланге. Для этого профессор создал шланг, состоящий из двух слоев (рис. 3).

Механический жгутиконосец Дж. Тейлора:

_{1 — передняя часть «хвоста» (проволочной спирали), загнутая в виде свободно вращающегося крючка; 2 — алюминиевый корпус; 3 — неподвижно закрепленный крючок; 4 — наконечник из резины; 5 — резиновый мотор; 6 — груз-сопротивление; 7 — резиновая трубка, в которой вращается спирально изогнутый проволочный «хвост».}

Внутренний слой шланга был снабжен кольцевыми ребрами. Течение воды создавало на их внутренней поверхности вихри, уменьшающие трение более чем вдвое. На этом принципе же за рубежом сделали оболочку, снижающую сопротивление торпед в толще воды.

На рисунке 4 вы видите устройство первой в мире модели организма-жгутиконосца конструкции Дж. Тэйлора, созданной в 1952 году. Она состояла из обтекаемого корпуса с резиномотором внутри. На его валу был укреплен изогнутый проволочный «хвост», на который был надет резиновый шланг, жестко соединенный с корпусом. Важная деталь: при вращении проволочного хвоста его оболочка совершала спиральное волновое движение. Его можно назвать даже «псевдодвижением»» поскольку сама оболочка относительно корпуса жгутиконосца не вращалась. Для того чтобы не вращалась и сама модель, сбоку располагался груз.

На этой модели были изучены основные принципы движения жгутиковых микроорганизмов. Было подмечено, в частности, что вращающийся жгут создает вдвое большую тягу, чем жгут, извивающийся в одной плоскости. В воде он практически не шумит, и это делает такой способ движения привлекательным для военных, что вполне понятно, но и еще для… экологов. Ведь, как выяснилось в последние годы, судовые винты создают в воде шум, распространяющийся на многие километры. Он делает жизнь обитателей вод абсолютно невыносимой. (Мы же его не слышим, поскольку сквозь границу между водой и воздухом проходит лишь 1/4000 часть энергии звука. Остальное отражается и возвращается обратно в воду.)

Напрашивается вывод о необходимости замены судового винта бесшумным движителем. Жгутик — один из его вариантов. На рисунке 5 вы видите модель подводного исследовательского аппарата, оснащенного таким бесшумным движителем.

Чтобы предотвратить вращение модели, здесь применено два жгутика, вращающихся в разные стороны. Каждый приводится в действие отдельным электромотором от старой игрушки. В качестве корпуса модели возьмите пластиковую бутылку. Обрезав лишнее, вложите в нее деревянную крышку — корму судна. На ней смонтированы два двигателя и батареи питания. Здесь же укреплен кнопочный выключатель, приводимый в действие нажатием на гибкую стенку корпуса.

С наружной стороны кормы видны две втулки. Через них проходят валы электромоторов, соединенные с зигзагообразными стержнями жгутиков. В качестве оболочки жгутиков применяются гибкие резиновые шланги. Эти шланги герметично заклеены или завязаны с одной стороны, с датой — надеты на втулки и примотаны проволочными хомутами. В собранном виде наша модель представляет собою абсолютно герметичную конструкцию. Вес ее следует отрегулировать при помощи дополнительных грузиков таким образом, чтобы корпус был па 9/10 в воде.

А. ИЛЬИН

Рисунки автора