Навіщо авіаінженери спостерігають за жуками, совами та окунями

15:32 12 листопада Київ, Україна

Ми знаємо безліч прикладів того, як вчені надихаються тваринним світом та полегшують нам життя новими технологіями. Від світловідбивачів на дорозі, що імітують котячі очі до хірургічних інструментів, створених на прикладах паразитичних ос або восьминогів. Також авіаінженери не витрачають часу і навіть цікавляться не тільки бердвотчингом, як може здатися на перший погляд, а й твердокрилими і рибами. Чим же літакобудуванню, окрім крил птахів, знадобляться броненосні жуки та європейські окуні?

Що можна взяти від безкрилих?

На перший погляд здається, що літакобудування — суто пташина справа і решта тварин світу просто не витримає конкуренції. Але вчені з вами не погодяться: не менш важливими характеристиками літака є можливість його поверхонь витримувати пошкодження чи заледеніння, а з такими проблемами птахи майже не стикаються. На відміну від намібійських пустельних чи 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 керм висоти та напрямку. Зазвичай від цього авіамеханізми намагаються захистити попередньою протиобмерзною обробкою: ручним прибиранням льоду, використанням протиледеніння рідини або нагрівання поверхні. Однак американські вчені вирішили підійти з іншого боку: якщо кристалізації атмосферної вологи уникнути неможливо, її слід ефективно використовувати. 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 лише 10–13 міліметрів опадів на рік. Проте вранці 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 і 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 чергувалися гідрофільні та гідрофобні зони, утворюючи центри кристалізації, відстань між якими можна контролювати: чим далі вони утворюються, тим менша ймовірність заледеніння поверхні.
 
Фото:  Жук Stenocara gracilipes и его ребристая спинка, собирающая воду
 

Як вчені переїхали машину жука та їх не замучила совість

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

Панцир Nosoderma diabolicum майже нічим не відрізняється від панцирів його родичів: еквіддільно пов'язані між собою, як пазл, два надкрила. Однак, на відміну від інших, у диявольського жука надкрила зрослися за принципом паз-гребінь. Причому кілька багатошарових гребенів, які розподіляють навантаження і не лопаються, а лише розшаровуються. Також по всій довжині шва між надкрилами та нижньою частиною екзоскелету вчені виявили різну жорсткість, яка є найбільшою в області життєво важливих органів і знижується в інших частинах тіла комахи, щоб панцир міг прогинатися, не порушуючи цілісність.

Щоб перевірити, чи можна таку схему з'єднання на практиці, вчені виготовили кілька деталей з вуглепластику і порівняли його міцність із запобіжним клапаном Hi-Lok, який використовується в авіабудуванні. В результаті, як стверджують інженери, конструкція, створена подібно до будови панцира Nosoderma diabolicum, витримала більший тиск і краще впоралася з піковими навантаженнями.
 
Фото: Области разного расстояния между панцирем и внутренними органами (а) и соединения слоев разной жесткости

 
А птахи ще цікаві авіабудуванню?

На перший погляд, справді може здатися, що всі можливі технології для авіації від птахів ми вже підглянули і тепер залишається хіба що рятувати літаки від зіткнень із пернатими. У нас є детектори попередження турбулентності, створені на основі пташиних механорецепторів, енергоефективніші стратегії польотів, на які вчених надихнули пташині ключі та протиаварійні системи за прикладом польотів хвилястих папужок. Тим не менш, птахам ще є чому повчити авіаінженерів, і, здається, сови стали їхніми улюбленцями.

Як побороти вітер і залишитися непочутим - уроки від сови

Насправді те, що інженери віддають перевагу совам - не дивно, адже ці птахи поєднали в собі дві вкрай потрібні авіації характеристики - безшумність і 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 і розпушеним на кінці, що утворює додаткове звукоглушення. І цю їхню особливість вчені різними способами намагаються втілити на практиці. Один з варіантів — побудова лопат 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, який майже повторює мікроструктуру пір'їнок птахів.

А про протистояння птахів сильним поривам вітру відомо небагато, адже такі дослідження мають комплексно торкатися кінематики руху як птиці, так і повітряних потоків. Британські інженери вирішили спробувати з'ясувати особливості цих механізмів і як приклад взяли сипуху на ім'я Лілі. Заінтриговані надзвичайною здатністю цих птахів зберігати стабільність польоту в умовах поривчастого вітру навіть поблизу будівель, вчені змусили сипуху літати лабораторією. За допомогою зйомки з десяти високошвидкісних відеокамер дослідники отримали тривимірну модель сипухи та з'ясували, що цим птахам достатньо двох механізмів, які дозволяють літати за важких погодних умов навіть не змінюючи положення голови та тулуба. Спочатку сипуха всього за 80 мілісекунд згрупувалася: опустила тулуб, піднявши крила, щоб компенсувати силу впливу повітряного потоку та не напружувати крила, а потім коригувала кут нахилу та форму крил, щоб не викривляти траєкторію польоту. За словами вчених, саме ці дві дії дозволили Лілі порозумітися навіть із потоками вітру, рівними її власній швидкості — 7,7 метра за секунду, і спокійно долетіти до їстівної мети.

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