В 50-70-х годах прошлого
века была очень популярна концепция, называемая бионикой. Суть ее в том, что
инженеры ищут технические решения, изучая строение и функции живых
организмов. Постепенно бум прошел, но конструкторы продолжают время от
времени "консультироваться" с природой,
"изобретательность" которой не знает границ. Об успешном
заимствовании у природы ее достижений и использовании их в технике и быту
рассказывается в предлагаемой статье. Ее автор Игорь Сергеевич Ковалев
родился в 1962 году на Урале. Инженер-авиастроитель. Параллельно с работой на
авиастроительных предприятиях серьезно занимается энтомологией. Автор 17
статей в этой области. В настоящее время живет в Израиле.
ВСЕ ТЕЧЕТ, А ТРУБА НЕ МЕНЯЕТСЯ
В честь новозеландца сэра Эдмунда Хиллари жители далеких
непальских селений слагают песни. Такой чести первый человек планеты,
покоривший Эверест, удостоился за то, что уже более четверть века занят
прокладкой водопровода в горные районы. Для нас, городских жителей, это
достижение цивилизации давно стало привычным, и вспоминаем мы о нем только в
случае аварии.
В истории развития техники вряд ли можно встретить более
тривиальное устройство, чем труба. На протяжении многих веков, почти не меняя
своего облика, она служит людям во все новых областях. Волны технических
революций рождали новые конструкции, уносили в небытие отжившие, а
незамысловатая конструкция трубы оставалась все той же: в соответствии с
Оксфордским словарем английского языка "труба - полый цилиндр, служащий
для пропускания жидкостей". Практически дословно это определение
приведено в академическом Словаре русского языка; правда, там добавлено, что
по трубам можно транспортировать также газы и пар. По-видимому, человек не
изобретал трубы, как это случилось, скажем, с колесом, а подсмотрел ее устройство
в природе. Одна из археологических находок, относящаяся ко времени правления
китайских императоров династии Цинь (III век до н. э.), представляла собой
трубу из бамбука с удаленными перепонками.
Сейчас детали в виде труб используются в качестве конструктивных
элементов, поскольку, обладая прочностными свойствами почти как у сплошных
стержней, трубы намного легче. Но в основном трубы нужны для транспортировки
воды, газов, пара, нефтепродуктов, пульпы и т.д.
На изготовление труб идут самые различные материалы:
сталь, чугун, медь, керамика, стекло, пластмассы, цемент. Так, в бассейн
римского императора Тиберия лечебную воду из горячих источников подавали по
каменным трубам, которые были устойчивы к сильно минерализованной воде и
хорошо сохраняли тепло. Самые распространенные, стальные, трубы сваривают из
листов или из стальной полосы, свернутой в виде спирали. Стальные трубы
небольших диаметров получают прокаткой на прошивных станах, изобретенных
братьями Рейнхардом и Максом Маннесманами в 1885 году, или методом
центробежного литья.
СКОРОСТЬ РОЖДАЕТ ХАОС
При движении по трубе жидкость или газ ведут себя
по-разному в зависимости от скорости течения и размеров трубы. При небольшой
скорости частицы жидкости движутся параллельно одна другой, и такое течение
называется ламинарным. При увеличении скорости в потоке возникают вихри,
частицы жидкости начинают двигаться хаотически, в разных направлениях, и на
это тратится довольно много энергии - сопротивление потоку возрастает. Такой
режим движения называют турбулентным. Закономерности перехода потока жидкости
из одного режима в другой исследовал английский физик Осборн Рейнольдс
(1842-1912).
Он вывел формулу для числа, получившего его имя, которая, например
для течения жидкости по круглой трубе с гладкими стенками, связывает скорость
течения v, диаметр трубы d, и такие характеристики жидкости, как плотность ρ
и вязкость μ:
Re = ρvd/μ.
Если параметры потока таковы, что число Рейнольдса меньше
критического (Re<Reкр), то режим течения остается ламинарным, если же Re>Reкр,
то режим - турбулентный. Для упомянутого случая течения жидкости по круглой
трубе Reкр = 2300.
Для наглядности рассмотрим явление перехода течения из
ламинарного в турбулентный режим на примере из санного спорта.
Спортсмен-саночник мчится по серпантину ледяного желоба, на очередном вираже
не справляется с управлением санками и переворачивается. Дальше его движение
становится неуправляемым и хаотичным, поскольку высокая скорость и скользкий
желоб не позволяют восстановить прежнее положение.
ПОТОК МОЖНО СТАБИЛИЗИРОВАТЬ
Итак, чтобы при прочих равных условиях повысить
критическое число Рейнольдса, нужно изменить свойства внутренней стенки
трубы. Подсказку инженеры нашли у живых существ, в частности у рыб. Их чешуя
покрыта слизью, которая играет заметную роль в уменьшении сопротивления
движению. При образовании микровихрей слизистый слой демпфирует и гасит их.
В 1949 году К. Томсон предложил добавлять в жидкость
микроскопические количества высокомолекулярных полимерных веществ. Длинные
молекулы полимеров, вытягиваясь в нити и располагаясь в виде подвижной сетки
вдоль стенок трубы, снижают поперечные пульсации скорости и предотвращают
образование вихрей.
Если вернуться к случаю с саночником, то похожую роль
исполняли бы резиновые жгуты, которыми санки привязали бы к тележкам,
свободно катящимся по краям желоба. Жгуты не дадут санкам перевернуться, пока
поперечные силы не станут столь велики, что резинки порвутся.
Продолжая разговор о саночнике, следует заметить, что есть
способ и без "привязи" удержать сани на трассе. Достаточно на
гладкой поверхности желоба сделать колеи, по которым покатятся полозья. Колеи
будут удерживать сани, не позволяя им смещаться в поперечном направлении.
Похожие стабилизаторы создала природа. Так, поверхность
тела некоторых рыб, например акул, покрыта жесткими пластинками с
четырьмя-пятью зубчиками, которые в совокупности образуют параллельно идущие
вдоль тела гребешки. Они-то и разрушают возникающие вихри и сохраняют
ламинарный режим при обтекании тела рыбы. К слову, задев шкуру акулы, можно
получить не менее тяжелые травмы, чем оказавшись в пасти, - недаром
французские моряки называют шкуру акулы "теркой".
В 1970-х годах специалисты НАСА провели эксперименты с
целью исследовать течение воздуха вдоль поверхности, покрытой маленькими
гребешками, параллельными потоку. Оказалось, что такие гребешки, названные
"riblets", или "ребрышки", меняют структуру пограничного
слоя и препятствует образованию вихрей. В ведущих авиакомпаниях мира, таких,
как "Боинг", "Эрбас", "Локхид", испытали это
покрытие и выяснили, что "ребрышки" понижают сопротивление в
среднем на 8% по сравнению с гладкой поверхностью. Кстати, еще до Второй
мировой войны фюзеляжи и крылья самолетов изготовляли из гофрированных
металлических листов. С одной стороны, это делало конструкцию жесткой, с
другой - гофры, располагавшиеся продольно, стабилизировали поток воздуха,
обтекавшего самолет.
БАБОЧКИ ОТКРЫВАЮТ СВОИ ТАЙНЫ
Природа наградила способностью преодолевать сопротивление
среды не только рыб, но и обитателей воздушной стихии. Все мы с детства
знакомы с бабочками. Эти насекомые благодаря изящным формам и яркой
замысловатой раскраске вызывали у людей мистические чувства. Древние индусы,
например, считали бабочек жителями мира духов, а мексиканские шаманы
утверждали, что чешуйчатый покров бабочки - это "золотая пыльца, несущая
знания человеку".
Оказалось, культовые служители Латинской Америки были во
многом правы. Наблюдая бабочек, люди узнали многое, и не только о них.
Детально изучать чешуйки бабочек начали еще в
средневековые времена. Теодор де Майерн, врач английского короля Карла I,
описывал узоры на крыльях бабочек, образованные чешуйками. В 1930-х годах
австрийский естествоиспытатель Г. Вебер во всех тонкостях изобразил строение
чешуек, которые плотно покрывают тело и крылья бабочки красного адмирала (Pyrameis
atalanta). Двухслойный покров чешуек увеличивает подъемную силу крыла в
планирующем полете, защищает бабочку от переохлаждения, уменьшает шум и
вибрацию при машущем полете, а также поглощает эхолокационные сигналы летучих
мышей. Кроме того, чешуйки защищают крыло от повреждений (при ударе крыла о
лист растения или о каплю смолы чешуйки отламываются, снижая силу удара и не
давая крылу приклеиться к коре деревьев) и способствуют стеканию статического
электричества.
Чешуйчатое строение у бабочек возникло в юрском периоде
более 200 млн лет тому назад. За долгий путь эволюции оно развилось до
высокой степени совершенства, что позволяет чешуйкам выполнять столь разнообразные
функции, служащие одной цели - сохранению жизни насекомого.
Чешуйка (длина которой не превышает 0,5 мм) представляет
собой сложное трехмерное образование, состоящее из верхней и нижней пластин,
соединенных стойками (трабекулами). Во впадинах верхней пластины имеются
отверстия, позволяющие воздуху проникать в полое пространство чешуйки.
В ДВУХКАНАЛЬНОЙ ТРУБЕ ВОДА НЕ ШУМИТ
Подобная конструкция натолкнула автора на идею применить
изобретение природы для нужд людей. В результате удалось создать покрытие
винта вертолета, заметно увеличившее подъемную силу. Это, в частности,
объясняется большей, за счет "ребрышек", рабочей площадью винта и
улучшением обтекания воздухом аэродинамической поверхности.
Между законами аэродинамики и гидродинамики принципиальной
разницы нет, поэтому логично воспользоваться конструкцией чешуек при создании
труб для транспортировки жидкостей. Новая труба имеет как бы два канала. По
внутреннему цилиндрическому каналу течет основная масса жидкости, а наружный
кольцевой канал служит для компенсации давления потока. На поверхности
внутренней стенки трубы по всему периметру сделаны продольные ребра высотой
0,5 мм. Между ними выполнены сквозные отверстия, соединяющие цилиндрический и
кольцевой каналы. Постоянный размер кольцевого зазора обеспечен тонкими
стойками.
Если в потоке зародится вихрь, то некоторые частицы
жидкости вблизи стенки начнут двигаться по окружности поперек трубы. Вскоре
на их пути окажется одно из ребер, которое погасит вихрь. Кроме того, в
турбулентном потоке неизбежно возникают области с разным давлением. Если во
внутреннем канале давление выше, чем в кольцевом, то жидкость через отверстия
будет просачиваться наружу; если внутри трубы давление ниже, то жидкость из
кольцевого канала потечет в цилиндрический.
Испытания двухканальной трубы диаметром 40 мм показали,
что сопротивление движению жидкости в ней на 10% меньше, чем в трубе с
гладкими стенками.
Можно еще более повысить эффективность трубы, если сделать
"ребрышки" не прямолинейными, а спиральными. Спиральные ребра
закручивают поток, и на него, как известно из курса гидрогазодинамики,
действует центростремительная сила, которая тормозит развитие вихрей в потоке
и делает его более устойчивым; она также уменьшает сопротивление течению.
К достоинствам новой конструкции можно отнести и то, что
текущая по трубе жидкость не издает звуков. Проблема шума в последнее время
приобретает актуальность, особенно в быту. Так, в странах Запада обогрев
зданий производят с помощью труб с горячей водой, проложенных "змейкой"
под полом. Каждое колено - это место, где возникают вихри, которые и
становятся источником шума. Днем он почти не слышен, но ночью подчас не дает
заснуть.
Двухканальные трубы можно изготавливать из тонких
металлических листов. Вначале на поверхности листа формируют гребешки,
пропуская лист между валками, один из которых имеет ребристый профиль. Затем
во впадинах делают сквозные отверстия, после чего лист прикрепляют на стойках
к другому листу, играющему роль наружной стенки. Всю конструкцию сворачивают
и сваривают края.
ТРУБЫ-ХАМЕЛЕОНЫ
Для трубопроводов, которые проходят в помещениях, большое
значение имеет и их внешний вид. Для красоты их красят, никелируют. Но можно
применить необычное покрытие, изобретение которого также подсказано
бабочками.
Чешуйки тропических бабочек семейства ураний (Uraniidae)
представляют собой многослойную структуру. Семь хитиновых пластинок разделены
промежутками, наполненными воздухом. В результате многократного отражения и
интерференции падающих лучей отраженные лучи приобретают более насыщенный
цвет, а поверхность - блеск полированного металла. Пpи деформации чешуйки
(например, под действием внешнего давления) толщина воздушной полости
уменьшается и окраска чешуйки изменяется.
Современная технология позволяет получать тонкие пленки
толщиной до 0,5 мкм. Если взять пленки толщиной около 5 мкм, а затем склеить
их, нанося клей не сплошь, а тонкими полосками, то получится структура,
аналогичная чешуйкам бабочек ураний. Такое покрытие, нанесенное на внешнюю
стенку трубы, будет менять цвет при изменении температуры: у горячей трубы
диаметр увеличивается за счет разницы температурных коэффициентов расширения,
возрастает давление изнутри на слои покрытия, и толщины воздушных зазоров
уменьшаются. По оттенкам цвета можно безошибочно определить, течет ли вообще
вода в трубе и какая она - горячая или холодная. Другими словами, покрытие
может быть одновременно манометром и термометром. Подобное покрытие также
служит хорошим теплоизолятором и уменьшает потери тепла.
Конечно, такие трубы дороже обычных. Но, как показывают
современные тенденции, потребители готовы дороже платить за товар, который
обладает новыми полезными свойствами. Кроме того, когда производство
двухканальных труб будет налажено в крупных масштабах, их цена неизбежно
снизится.
