Формы живого в природе и их промышленные аналоги
Использование реактивного принципа движения
На предыдущих уроках мы рассмотрели, как принципы организации живой материи используются в практической инженерии. Однако встречаются и случайные совпадения, человек неосознанно использует механизмы, которые уже давно используются в живой природе. Наиболее примитивный пример – это использование реактивной струи для движения. Человек еще в античности знал о принципе реактивного движения, уже тогда создавались примитивные ракеты, но только в XX веке появились полноценные реактивные аппараты – самолеты и ракеты (рис. 1). Такой аппарат выбрасывает струю раскаленных газов в одну сторону и благодаря закону сохранения энергии движется в противоположную, от скорости струи и массы выбрасываемых газов зависит энергичность движения.
Рис. 1. Реактивный двигатель
Аналогичный принцип используется для движения в природе, наиболее близкий аналог – кальмар (рис. 2), это животное засасывает в мантийную полость воду, а затем, резко напрягая мускулы, выбрасывает ее через выходное отверстие – сифон, которое направлено в противоположную движению сторону, так кальмар может очень энергично двигаться в толще воды. Интересно, что Леонардо да Винчи еще пятьсот лет назад изучал принцип движения кальмара и признал его совершенно непригодным для использования на практике, он полагал, что так двигаться можно только в водной среде и только очень легким существам.
Рис. 2. Кальмар
Оптические приборы
Более сложный пример – это оптические приборы (рис. 4). Чтобы через оптические приборы, такие как бинокли или объективы, одинаково хорошо видеть на разном расстоянии, применяется фокусировка, при фокусировке система линз сдвигается вдоль оси визирования до того момента, пока наблюдаемый объект не попадет в фокус. В биноклях и фотоаппаратах это достигается вращением колесика, которое смещает линзы внутри объектива. Оказалось, аналогичным образом устроен глаз моллюска (рис. 5). Роль линзы играет хрусталик, а фокусное расстояние изменяется путем смещения хрусталика внутри глаза, таким образом, моллюск может видеть как отдаленные, так и близлежащие объекты.
Интересно, что глаза млекопитающих, в том числе человека, устроены совершенно не так, у нас фокусное расстояние меняется не путем смещения линзы, а путем изменения ее кривизны, хрусталик глаза изменяет свою форму так, чтобы его кривизна соответствовала той дистанции на которой мы видим объект, за это отвечают специальные группы глазных мышц (рис. 3).
Рис. 3. Человеческий глаз
Рис. 4. Оптические приборы
Таким образом, человек, создавая оптические приборы, использовал принцип, найденный моллюсками еще ½ миллиарда лет назад. К сожалению, пока не удается повторить принцип строения хрусталика млекопитающих для создания протеза хрусталика: человек еще не освоил технологии для создания хрусталика меняющего свою кривизну.
Рис. 5. Глаз моллюска
Медицинский шприц
Другой пример – это медицинский шприц (рис. 6).
Рис. 6. Шприц
Он состоит из иглы с внутренним каналом и цилиндра, создающего давление. Когда поршень в цилиндре создает разрежение, кровь по каналу иглы поступает в цилиндр и заполняет его. Аналогично функционируют кровососущие аппараты насекомых, они очень разнообразны, но принцип используется тот же: игла с внутренним каналом называется хоботок, а расширяющийся цилиндр – цебариум. Насекомые так извлекают кровь миллионы лет, а люди – сотни.
Жидкостные теплообменники
Интересно рассмотреть жидкостные теплообменники. Простейшим теплообменником является бытовая батарея отопления в доме (рис. 7).
Горячая вода идет по широким трубам с небольшой внешней поверхностью, теряющей не очень много тепла. В квартире магистральная труба разбивается на множество мелких трубок в самой батарее, имеющих высокую суммарную поверхность. Здесь происходит интенсивная потеря тепла с поверхности и нагрев помещения. Аналогично работает система поддержания температуры тела у теплокровных. Некоторые органы могут сильно страдать от перегрева, например мозг и печень. В качестве теплоносителя в организме выступает не вода, а кровь, роль магистральной трубы играют крупные сосуды, а роль радиатора – капиллярная сетка кожи. Кровь, попадая в эту сетку, охлаждается средой и уже охлажденной отправляется к сердцу и далее к органам, требующим охлаждения.
Таким образом, человеческие технологии часто копируют давно существующие природные аналоги.