Феликс Патури - Растения - гениальные инженеры природы
Летательный аппарат семян тропической лианы представляет собой планер типа «летающее крыло», то есть планер без хвостового оперения. В последующие годы (1904—1909) Этрих строил планеры только этого типа, которые в точности копировали свой оригинал (фото 41), Самый первый из них имел размах крыльев 6 метров и мог нести 25 килограммов полезной нагрузки (фото 42). Второй планер имел размах крыльев уже 10 метров, но, как и первый, представлял собой беспилотный летательный аппарат, который поднимал в воздух 70 килограммов полезного груза. Дальность его полета достигала 300 метров. В 1906 году Иго Этрих построил аналогичную модель, на которой совершил полет уже человек. В 1909 году на планере был установлен двигатель мощностью 40 лошадиных сил. Трудности полета аппарата с двигателем и с человеком на борту создавались неточностью его центровки, от чего и зависела устойчивость аппарата в полете. Что касается семени лианы, то здесь подобных проблем не возникает, поскольку центр тяжести семени не перемещается. Любое же изменение позы человека влечет за собой перемещение и центра тяжести. По этой причине на следующей модели планера Этриха был установлен стабилизатор, форму которого позаимствовали у голубя. В мае 1910 года новый летательный аппарат успешно поднялся в воздух. Его прототипом было летучее семя тропической лианы.
Фото 41. Конструкторы первых летательных аппаратов строили планеры типа «летающее крыло», которые в точности копировали устройство семени тропической лианы.
Фото 42. Первая модель планера имела размах крыльев, равный 6 метрам. Она была в состоянии поднимать в воздух 25 килограммов полезного груза и обладала, как и ее прообраз из мира растений, хорошими характеристиками планирующего полета.
Энциклопедический словарь дает следующее определение термина «воздухоплавание»: «Воздухоплавание — перемещение в воздушном пространстве при помощи летательных аппаратов. В соответствии с международным воздушным правом к числу последних относятся: 1) летательные аппараты, подъемная сила которых создается заключенным в оболочке газом, это, например, воздушные шары, дирижабли; 2) летательные аппараты, подъемную силу которых создают потоки воздуха, обтекающие крылья, например самолеты (в том числе планеры, вертолеты и ракетопланы), а также парашюты и воздушные змеи». С парашютами в мире растений мы уже познакомились. Известен нам и наиболее интересный по своей конструкции планер (в природе имеется целый ряд существенно различающихся между собой вариантов летательных аппаратов этого типа). С принципом реактивного движения, аналогичным тому, который находит применение в ракетной технике, мы встретились, когда вели рассказ о способах распространения плодов и семян. Я не останавливаюсь на нем более подробно, так как в ботанике он играет второстепенную роль: для растений его применение в широких масштабах было бы неэкономно. Растения предпочитают использовать силу ветра, и здесь они — мастера своего дела.
Для того чтобы наиболее эффективно подключиться к такому древнейшему источнику энергии, каким является ветер, требуется создать наибольшую несущую поверхность. В этом направлении и работала мысль человека-конструктора (планеры, сферические и змейковые аэростаты, дирижабли). Сходным путем шли в этой области и растения. Так, например, у многолетнего травянистого растения физалиса (Physalis alkekengi) [14] после отцветания образуются вздутые, очень крупные кораллово-красные чашечки с плодом внутри них. Обтянутые тончайшей кожицей-пленкой, они становятся игрушкой ветра, как только оторвутся от материнского растения (фото 22). Но не все воздухоплаватели из царства растений разрастаются до столь больших размеров. Семя мака сомнительного имеет множество крошечных пустот, уменьшающих его удельный вес; в целом оно весит всего лишь одну тысячную долю грамма при диаметре 0,7 миллиметра. За счет же ячеистой структуры существенно увеличивается площадь доступной ветру внешней поверхности.
Для более крупных тел, у которых использование принципа воздушного шара означало бы чересчур высокую скорость их снижения, природа изобрела нечто иное. В интересах сокращения веса путешествующих по воле ветров природа вынуждена экономить конструкционные материалы. Уже одним применением тончайших оболочек, которыми одеваются все мелкие и мельчайшие ребра жесткости, достигается весьма заметный эффект, который удается еще более повысить с помощью весьма искусного приема. Летательные аппараты растений, построенные по типу «несущего винта», способны имитировать наличие дополнительной поверхности. На фото 43 изображен плод клена остролистого (Acer platanoides). Площадь его поверхности равна 2 квадратным сантиметрам. В сухом состоянии вес его едва достигает одной восьмой доли грамма. Оторвавшись от дерева, плодик, падая, начинает быстро кружиться из-за сопротивления воздушной среды и вследствие собственной эксцентрической конструкции. Крылатка вращается при этом вокруг своего центра тяжести, который располагается на одном из концов крыла, там, где находится семя. Удалось сфотографировать винтовую траекторию снижения крылатки клена (фото 44). Подобно тому, как ветер вращает крылья ветряной мельницы, так и встречный поток воздуха заставляет плодик описывать круговые движения. Эффект же тот, что и у вертолета, снижающегося с отключенным двигателем: вращающиеся под действием набегающего потока воздуха лопасти винта позволяют ему успешно планировать. Обращение крылатки вокруг центра тяжести создает видимость замкнутой круговой поверхности, на которую может воздействовать ветер и площадь которой для плодика, изображенного на фото 43, составляет около 20 квадратных сантиметров. Таким образом, почти десятикратного мнимого увеличения площади растение добивается самым простым путем. В результате скорость снижения крылатки уменьшается в восемь и более раз. Легкого порыва ветра, едва колышущего ветви дерева (сила ветра 4 балла), вполне достаточно, чтобы падающую с высоты 10 метров крылатку клена унести на расстояние до 100 метров. Заметим, что в данном расчете не учтено влияние воздушных завихрений или восходящих потоков воздуха, которые во много раз увеличивают дальность полета.
Фото 43. Покрытый белой краской плод-крылатка клёна позволяет хорошо различить ребра жесткости («нервюры»).
Фото 44. В полете крылатка клёна работает точно так же, как лопасти несущего винта вертолета, опускающегося с выключенным двигателем.
Не будь такого поистине гениального приспособления, плоды падали бы с дерева более или менее отвесно. В результате они прорастали бы в тени кроны материнского дерева, и молодые побеги вынуждены были бы вести между собой конкурентную борьбу за свет и жизненное пространство.
С конструктивной точки зрения роторные летательные аппараты растений, использующие принцип «несущего винта», имеют идеальную форму. Иного, впрочем, нельзя ожидать от объекта длительного эволюционного развития. Скорость снижения такого аппарата едва ли выше, чем у оптимально рассчитанного «несущего крыла», и всего в полтора раза больше, чем у полусферического парашюта с общей поверхностью свыше 40 квадратных сантиметров.
Фото 45 познакомит читателя с еще одним летательным аппаратом типа «несущий винт». Это плод ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior). Его «лопасть» односторонне не утяжелена, как это наблюдается у крылатки клена, а, подобно лопасти пропеллера самолета, несколько изогнута (фото 46). На фото 47 совмещены контуры плода ясеня и лопасти воздушного винта. Масштаб изображения плода увеличен. Отчетливо видно, что основные технические характеристики обеих конструкций полностью совпадают: отношение ширины к длине в том и другом случае практически одинаково 1:4,2; угол атаки во всех соответствующих точках обеих лопастей также один и тот же. И тем не менее по двум параметрам имеются существенные расхождения. Во-первых, самое широкое место у плода крылатки ясеня лежит намного дальше от центра вращения по сравнению с инженерной конструкцией. Во-вторых, «лопасть» крылатки, исключая первую треть ее длины (отсчет и здесь ведется от центра вращения), в пропорции значительно тоньше лопасти воздушного винта. Большая ширина лопасти там, где скорость ее вращения выше (то есть ближе к противоположному от точки вращения концу), обеспечивает увеличение площади поверхности, на которую воздействует встречный поток воздуха. В целом же более тонкая лопасть означает ощутимую экономию веса — факт, крайне важный при создании летательных аппаратов. Почему же в таком случае наши инженеры не воспользуются этими достоинствами летательной техники растений? Разумеется, они могут это сделать, но лишь принеся и жертву необходимую устойчивость конструкции, которая столь важна в авиации и которая не требуется растению.
