Книга: Растения - гениальные инженеры природы

Ветряные мельницы, парашюты и планеры

Ветряные мельницы, парашюты и планеры

Веселые четверостишия юмориста Хайнца Эрхардта приписывают безобиднейшему одуванчику довольно воинственные намерения. Вот он — типично человеческий подход к явлениям природы! Впрочем, в стихах содержится и доля истины. Во-первых, и в самом деле одуванчик посылает своих «парашютистов», только дождавшись хорошего ветра. Во-вторых, «отбившиеся от группы» десантники у одуванчика скорее правило, чем исключение. То и другое совершается вполне преднамеренно, ибо растение стремится заселить как можно больше новых земель. Его крохотные летающие плодики-парашютики необычайно легки и приспособлены для переноса их ветром (фото 39). Однако, созрев, они не отправляются тотчас же в полет с первым веянием ветерка. Они, подобно многим другим воздухоплавателям из мира растений, терпеливо ожидают того момента, когда потянет хороший ветер. И лишь тогда, когда будет достаточно сухо, когда станет в меру тепло и когда, наконец, воздух вокруг придет в движение и это будет не мгновенное легкое дуновение, а ровно и энергично дующий ветер, только тогда плоды-парашютисты рискнут покинуть отчий дом и отправиться в далекое воздушное путешествие. Для того чтобы не пропустить этот благоприятный момент, само растение регулярно «оценивает» состояние погоды: относительную влажность воздуха, температуру и силу ветра. Точно так же многие деревья, прибегающие к услугам воздушных потоков как к транспортному средству, выбрасывают десант из пыльцы или семян преимущественно в первые, как правило, ветреные послеполуденные часы. В этих случаях дальность полета бывает наибольшей.

Фото 39. Хорошо известный нам с детских лет одуванчик освоил планирующий полет при помощи парашюта. Два последних «воздухоплавателя» ожидают доброго ветра.

То, что плоды одуванчика столь удивительно похожи на миниатюрные парашюты, факт отнюдь не случайный. С одной стороны, ветер в состоянии далеко унести подобные легковесные создания. С другой, конструкция с висящим под парашютом плодом обеспечивает такую посадку, при которой плод опускается вертикально вниз, то есть находясь в наиболее благоприятном для прорастания положения. Удлиненная форма и крючочек-зацепка на его верхнем конце позволяют плоду сохранять это отвесное положение после его приземления в какую-нибудь расщелину в почве или в низкий и густой травяной покров,

Многие растения, в том числе и относящиеся к разным семействам, имеют, подобно одуванчику, своих «парашютистов». Независимо от своего систематического положения различные растения одинаковыми способами решают одну и ту же транспортную проблему.

Но, как известно, полеты на парашютах не исчерпывают всех возможностей аэронавигации. Подняться в воздух позволяют также воздушные шары и крылатые летательные аппараты, использующие подъемную силу крыла либо винта. Человек освоил все эти виды передвижения в воздушном пространстве. Быть может, в этой области он опередил растения? Отнюдь нет, ибо растениям уже давно знакомы перечисленные выше способы. К тому же растения успешно применяют и некоторые другие, весьма необычные способы полета, до сих пор еще не освоенные человеком.

В тропиках высоко в кронах дерева-опоры обитает один из видов лиан Zanonia macrocarpa. Ее красивые свободно свешивающиеся с ветвей ярко-зеленые гирлянды неизменно привлекают внимание путешественников. Крылатые семена лианы дают нам один из интереснейших примеров растительной аэронавтики (фото 40).

Фото 40. Одним из самых выдающихся покорителей воздушного пространства в мире растений является семя тропической лианы занонии, размах крыльев которого достигает 15 сантиметров. В начале нашего века пионеры воздухоплавания брали его за образец при создании первых летательных аппаратов.

Столь поэтично описывает ботаник Хаберландт свою встречу с летающими семенами занонии. Впрочем, планирующий полет семян этого растения произвел сильное впечатление не только на ботаников.

В 1898 году, то есть спустя пять лет после появления в свет книги Хаберландта, пионеры воздухоплавания Игнац и Иго Этрихи приобрели два летательных аппарата: планер и орнитоптер. Их прежний владелец Отто Лилиенталь был первым, кто начиная с 1891 года регулярно совершал планирующие полеты дальностью в несколько сот метров на аппаратах собственной конструкции. В 1896 году 48 лет от роду он погиб во время очередного полета. Его трагическая гибель не могла не бросить тени на достигнутые им успехи. Тем не менее это не повернуло колесо истории воздухоплавания вспять. Уже два года спустя отец и сын Этрихи, фабриканты из Богемии, решили продолжить дело, начатое Отто Лилиенталем. Прежде всего следовало искать пути обеспечения максимальной надежности летательных аппаратов. И все же их первый планер (1899 год) не смог выдержать своего первого непродолжительного полета. Неудача не обескуражила конструкторов. Стало ясно, что необходимо искать, находить и тщательно изучать уже имеющиеся образцы надежности. В технике подобных примеров не существовало. На протяжении ряда лет Этрих изучал анатомию и законы движения летающих животных. Долгое время приемлемой моделью для подражания он считал летучих мышей, поскольку с технической стороны казалось нетрудным создать нечто похожее на их летательные перепонки. Однако невозможность достичь столь же высокой, как у летучих мышей, подвижности геометрии крыла привела к краху радужных надежд. Это вынудило Этриха для создания модели планера искать в природе образец, который имел бы жесткую, неподвижную конструкцию.

И тут ему на помощь пришел случай. Некто Альборн, преподаватель из Гамбурга, только что обнаружил исключительные летные качества семян Zanonia macrocarpa. В статье «Устойчивость летательных аппаратов» он указал на то громадное значение, которое летные характеристики семян занонии могли бы иметь для развития воздухоплавания. Статья попала в руки Этриха. Не откладывая дела в долгий ящик, он вместе со своим сотрудником Вельсом отправился в Гамбург, где и получил от автора статьи модель семени и подробное описание его свойств.

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.

Фото 45. Симметричная «лопасть» плода ясеня несколько изогнута, подобно лопасти воздушного винта самолета.

Фото 46. На снимке — лопасть воздушного винта спортивного самолета. Верхний и нижний концы ее несколько развернуты относительно оси винта.

Фото 47. На снимке справа совмещены в масштабе контуры крылатки ясеня (штриховая линия) и лопасти пропеллера крупного пассажирского самолета (сплошная линия). Слева даны контуры поперечного разреза лопастей, сделанные на различных участках общей их длины. Отчетливо видно, что основные технические характеристики обеих конструкций (отношение ширины к длине и величина угла атаки) совпадают.

Еще о двух типах летательных аппаратов я просто упомяну, не вдаваясь в детали. Это, во-первых, — дископланы, своего рода «летающие тарелки» в растительном мире. Они представляют собой исключительно легкие и хрупкие образования, по форме напоминающие диски, в центре которых находятся семена или плоды. Во-вторых, «воланопланы», названные так за их внешнее сходство с мячом для игры в бадминтон (заметим, что последние не столь уж и хорошие летуны). Волан в данном случае играет скорее роль парашюта, задача которого уменьшить скорость снижения семени и не допустить его повреждения при ударе о землю. Короче говоря, нет ни одного сколько-нибудь достойного внимания принципа воздушного полета, который не наблюдался бы в мире растений.

Если вы, читатель, приметесь рассуждать о возможностях использования силы ветра для целей передвижения, то, помимо своей воли, прежде всего вспомните о воздушных шарах, самолетах, парашютах, иными словами, о разного рода летательных аппаратах. Но ветер содействует не только тем, кто находится в воздухе. Он помогает также добиваться высоких скоростей, например, на буерах, поставленных на колеса. Там, где на побережье моря имеются обширные песчаные пляжи и где дуют благоприятные ветры, гонки на буерах становятся одним из видов спорта. Растения, обитающие в сходных условиях, прибегают к тому же способу передвижения. Но для них, гонимых ветром по песчаным дюнам, это уже не развлечение, а способ и путь к освоению новых пространств.

В Индии с началом сухого и продолжительного периода муссонных ветров дюнная растительность морских побережий начинает чахнуть. Растения вянут, засыхают и, наконец, полностью сбрасывают свои листья. И вот именно тогда голубовато-зеленая жестколистная трава Spinifex squarrosus отправляет своих «потомков» на поиски новых земель. У этой травы в течение года образуются крайне необычные, диковинные соплодия величиной с голову человека. Они представляют собой легкую, как перышко, конструкцию правильной шарообразной формы, в центре которой находится множество плотно прижатых друг к другу колосков. Проносящийся над побережьем муссон без труда срывает этот шар и гонит его по земле с большой скоростью. Дети охотно играют в этот упругий, хорошо скачущий от удара «мяч». «Парусные гонки» обеспечивают растению идеальные условия для расселения: катясь по земле, оно высевает свои семена на большой площади. Подобный метод передвижения наблюдается и у травянистых растений степных районов, где их называют «перекати-поле».