БИОФИЗИКА: РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ
Предлагаю читателям зелёных страничек заглянуть в увлекательный мир биофизики и познакомиться с основными принципами реактивного движения в живой природе. Сегодня в программе: медуза корнерот – самая крупная медуза Чёрного моря, морские гребешки, предприимчивая личинка стрекозы-коромысла, восхитительный кальмар с его непревзойдённым реактивным двигателем и замечательные иллюстрации в исполнении советского биолога и художника-анималиста Кондакова Николая Николаевича.
По принципу реактивного движения в живой природе передвигается целый ряд животных, например медузы, морские моллюски гребешки, личинки стрекозы-коромысла, кальмары, осьминоги, каракатицы… Познакомимся с некоторыми из них поближе 😉
Реактивный способ движения медуз
Медузы – одни из самых древних и многочисленных хищников на нашей планете! Тело медузы на 98% состоит из воды и в значительной части составлено из обводнённой соединительной ткани – мезоглеи, функционирующей как скелет. Основу мезоглеи составляет белок коллаген. Студенистое и прозрачное тело медузы по форме напоминает колокол или зонтик (в диаметре от нескольких миллиметров до 2,5 м). Большинство медуз двигаются реактивным способом, выталкивая воду из полости зонтика.
 |
 |
Медузы Корнероты (Rhizostomae), отряд кишечнополостных животных класса сцифоидных. Медузы (до 65 см в диаметре) лишены краевых щупалец. Края рта вытянуты в ротовые лопасти с многочисленными складками, срастающимися между собой с образованием множества вторичных ротовых отверстий. Прикосновение к ротовым лопастям может вызвать болезненные ожоги, обусловленные действием стрекательных клеток. Около 80 видов; обитают преимущественно в тропических, реже в умеренных морях. В России – 2 вида: Rhizostoma pulmo обычен в Чёрном и Азовском морях, Rhopilema asamushi встречается в Японском море.
Реактивное бегство морских моллюсков гребешков
Морские моллюски гребешки, обычно спокойно лежащие на дне, при приближении к ним их главного врага – восхитительно медлительной, но чрезвычайно коварной хищницы – морской звезды – резко сжимают створки своей раковины, с силой выталкивая из неё воду. Используя, таким образом, принцип реактивного движения, они всплывают и, продолжая открывать и захлопывать раковину, могут отплывать на значительное расстояние. Если же гребешок по какой-то причине не успевает спастись своим реактивным бегством, морская звезда обхватывает его своими руками, вскрывает раковину и поедает…
| |
|
Морской Гребешок (Pecten), род морских беспозвоночных животных класса двустворчатых моллюсков (Bivalvia). Раковина гребешка округлая с прямым замочным краем. Поверхность её покрыта расходящимися от вершины радиальными ребрами. Створки раковины смыкаются одним сильным мускулом. В Чёрном море обитают Pecten maximus, Flexopecten glaber; в Японском и Охотском морях – Mizuhopecten yessoensis (до 17 см в диаметре).
| |
|
Реактивный насос личинки стрекозы-коромысла
Нрав у личинки стрекозы-коромысла, или эшны (Aeshna sp.) не менее хищный, чем у её крылатых сородичей. Два, а иногда и четыре года живёт она в подводном царстве, ползает по каменистому дну, выслеживая мелких водных обитателей, с удовольствием включая в свой рацион довольно-таки крупнокалиберных головастиков и мальков. В минуты опасности личинка стрекозы-коромысла срывается с места и рывками плывёт вперёд, движимая работой замечательного реактивного насоса. Набирая воду в заднюю кишку, а затем резко выбрасывая её, личинка прыгает вперёд, подгоняемая силой отдачи. Используя, таким образом, принцип реактивного движения, личинка стрекозы-коромысла уверенными толчками-рывками скрывается от преследующей её угрозы.
Реактивные импульсы нервной «автострады» кальмаров
Во всех, приведённых выше случаях (принципах реактивного движения медуз, гребешков, личинок стрекозы-коромысла), толчки и рывки отделены друг от друга значительными промежутками времени, следовательно большая скорость движения не достигается. Чтобы увеличилась скорость движения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих живой реактивный двигатель. Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва.
Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. В среднем они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих – и проводят возбуждение они со скоростью 25 м/с. А у трёхметрового кальмара дозидикуса (он обитает у берегов Чили) толщина нервов фантастически велика – 18 мм. Нервы толстые, как верёвки! Сигналы мозга – возбудители сокращений – мчатся по нервной «автостраде» кальмара со скоростью легкового автомобиля – 90 км/ч.
Благодаря кальмарам, исследования жизнедеятельности нервов ещё в начале 20 века стремительно продвинулись вперёд. «И кто знает, – пишет британский натуралист Фрэнк Лейн, – может быть, есть сейчас люди, обязанные кальмару тем, что их нервная система находится в нормальном состоянии…»
Быстроходность и манёвренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что кальмара и прозвали «живой торпедой».
Кальмары (Teuthoidea), подотряд головоногих моллюсков отряда десятиногих. Размером обычно 0,25-0,5 м, но некоторые виды являются самыми крупными беспозвоночными животными (кальмары рода Architeuthis достигают 18 м, включая длину щупалец).
Тело у кальмаров удлинённое, заострённое сзади, торпедообразное, что определяет большую скорость их движения как в воде (до 70 км/ч), так и в воздухе (кальмары могут выскакивать из воды на высоту до 7 м).
Реактивный двигатель кальмара
Реактивное движение, используемое ныне в торпедах, самолётах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, каракатицам, кальмарам. Наибольший интерес для техников и биофизиков представляет реактивный двигатель кальмаров. Обратите внимание, как просто, с какой минимальной затратой материала решила природа эту сложную и до сих пор непревзойдённую задачу 😉
| |
|
В сущности, кальмар располагает двумя принципиально различными двигателями (рис. 1а). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска кальмар использует реактивный двигатель. Основой этого двигателя является мантия – мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, составляя почти половину объёма его тела, и образует своеобразный резервуар – мантийную полость – «камеру сгорания» живой ракеты, в которую периодически засасывается вода. В мантийной полости находятся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 1б).
При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель плотно «застёгивается» на специальные «запонки-кнопки» после того как «камера сгорания» живого двигателя наполнится забортной водой. Расположена мантийная щель вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создаётся за счёт выбрасывания струи воды через узкую воронку, которая расположена на брюшной поверхности кальмара. Эта воронка, или сифон, – «сопло» живого реактивного двигателя.
«Сопло» двигателя снабжено специальным клапаном и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки-сопла (рис. 1в), кальмар плывёт одинаково хорошо, как вперёд, так и назад (если он плывет назад, – воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к её стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперёд, свободный конец воронки несколько удлиняется и изгибается в вертикальной плоскости, её выходное отверстие сворачивается и клапан принимает изогнутое положение). Реактивные толчки и всасывание воды в мантийную полость с неуловимой быстротой следуют одно за другим, и кальмар ракетой проносится в синеве океана.
1а) кальмар – живая торпеда; 1б) реактивный двигатель кальмара; 1в) положение сопла и его клапана при движении кальмара назад и вперёд.
На забор воды и её выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режиме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличивает скорость движения.
Реактивный двигатель кальмара очень экономичен, благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч; некоторые исследователи считают, что даже 150 км/ч!
Инженеры уже создали двигатель, подобный реактивному двигателю кальмара: это водомёт, действующий при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же реактивный двигатель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров и является объектом тщательных исследований биофизиков? Для работы под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Творческие поиски инженеров направлены на создание конструкции гидрореактивного двигателя, подобного воздушно-реактивному…
Кондаков Николай Николаевич (1908–1999) – советский биолог, художник-анималист, кандидат биологических наук. Основным вкладом в биологическую науку стали выполненные им рисунки различных представителей фауны. Эти иллюстрации вошли во многие издания, такие как Большая Советская Энциклопедия, Красная книга СССР, в атласы животных и в учебные пособия.
Акимушкин Игорь Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – советский биолог, писатель – популяризатор биологии, автор научно-популярных книг о жизни животных. Лауреат премии Всесоюзного общества «Знание». Член Союза писателей СССР. Наиболее известной публикацией Игоря Акимушкина является шеститомная книга «Мир Животных».
Материалы этой статьи полезно будет применить не только на уроках физики и биологии, но и во внеклассной работе.
Биофизический материал является чрезвычайно благодатным для мобилизации внимания учащихся, для превращения абстрактных формулировок в нечто конкретное и близкое, затрагивающее не только интеллектуальную, но и эмоциональную сферу.
Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики
Москва: издательство «Просвещение», 1988
§ § Акимушкин И.И. Приматы моря
Москва: издательство «Мысль», 1974
§ Тарасов Л.В. Физика в природе
Москва: издательство «Просвещение», 1988
Источник
Подводного робота научили плавать по-кальмарьи
C. Christianson et al. / Bioinspiration and Biomimetics, 2020
Американские инженеры разработали прототип водоплавающего робота, который имитирует способ передвижения кальмаров, используя окружающую воду для создания реактивной водной струи. Корпус устройства может циклически изменять объем и поперечное сечение с помощью механизма, приводимого в движение электродвигателем. В каждом цикле за счет упругой деформации внешней оболочки происходит увеличение объема корпуса и заполнение его водой. Следующее затем быстрое сжатие выталкивает струю воды через сопло в задней части корпуса и создает реактивную тягу. Робокальмар смог развить максимальную среднюю скорость равную 18,4 сантиметрам в секунду, мгновенную скорость около 32 сантиметров в секунду и силу тяги 0,19 ньютонов. В будущем устройство может использоваться для подводных исследований и, например, для сбора образцов воды, говорится в статье, опубликованной в журнале Bioinspiration and Biomimetics.
Роботы из мягких материалов могут эффективно применяться в случаях, когда требуется аккуратное и безопасное взаимодействие с объектами и окружением. Однако недостаточная жесткость конструкции затрудняет их быстрое перемещение в пространстве из-за задержки в передаче воздействия на подвижные элементы робота. В частности, проблема низкой подвижности и маневренности актуальна для мягких роботов в водной среде.
Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Калеба Кристиансона (Caleb Christianson) для решения этой проблемы позаимствовали способ передвижения морских головоногих моллюсков кальмаров. Эти создания обладают эластичным телом без жесткого скелета, но способны быстро перемещаться под водой, циклически набирая воду в полость, образуемую кожаной складкой-мантией, и затем выталкивая ее через специальное отверстие.
Конструкция робота дает возможность изменять объем центральной части и поперечное сечение корпуса, имитируя работу мантии кальмара, что позволяет реализовать эффективное движение не только за счет выбрасываемой реактивной струи, но и благодаря эффекту присоединенной массы, связанному с ускоренным движением жидкости вокруг корпуса и зависящему от его формы. Разработчики отошли от концепции полностью мягкого робота, добавив жесткие элементы в виде двух плат из полилактида, изготовленных с помощью 3D печати и выполняющих роль каркаса. К концам плат крепятся гибкие упругие перекладины из композитного материала G10, играющие роль пружин и ребер корпуса одновременно, а также механический привод, состоящий из зубчатой рейки и электродвигателя с шестерней.
Схема образования реактивной водяной струи кальмара и схема работы механизма робота: заполнение водой и выброс струи
C. Christianson et al. / Bioinspiration and Biomimetics, 2020
На одной из плат расположено сопло, а сверху вся конструкция обтянута специальной эластомерной «кожей», которая ограничивает внутренний объем и дает около 27 процентов вклада в энергию, запасаемую при деформации во время цикла сжатия.
В герметичном прозрачном пластиковом контейнере размещаются источник питания и система управления для автономного плавания, там же, по словам разработчиков, можно разместить дополнительные сенсоры и камеру, если это необходимо.
Во время каждого цикла работы механизма сперва выполняется сжатие за счет работы электродвигателя с шестерней, двигающейся по зубчатой рейке. Платы движутся по направлению друг к другу и выгибают наружу ребра и эластичную оболочку корпуса, увеличивая тем самым объем центральной части корпуса и заполняя его водой. Когда зубчатое колесо достигает точки, в которой оно больше не связано с рейкой происходит высвобождение запасенной энергии упругой деформации ребер и оболочки и выброс воды из внутреннего пространства наружу в виде реактивной струи. Затем цикл повторяется.
Тестирование возможностей прототипа инженеры проводили в лабораторном резервуаре, а также в большом аквариуме «Берч» с соленой водой в Институте океанографии имени Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего. Робокальмар достиг максимальной средней скорости 18,4 сантиметров в секунду (0,54 длины корпуса в секунду) и максимальной мгновенной скорости равной 32,1 сантиметрам в секунду (0,94 длины корпуса в секунду). Измерения максимальной силы тяги, развиваемой реактивным движителем робота, показали значение 0,19 ньютонов. Кроме того, расчеты показывают, что в свободном плавании эта величина должна увеличивается приблизительно на 0,1 ньютон за счет эффекта присоединенной массы. В экспериментах с фиксированным отклонением вектора тяги была достигнута угловая скорость около 50 градусов в секунду.
Прототип робокальмара показал неплохую надежность, отработав около 5000 циклов сокращений до ремонта, однако, как считают авторы работы, этот показатель можно улучшить, использовав другие материалы. Помимо этого, в следующих версиях прототипа инженеры планируют добавить возможность полноценного управления вектором тяги.
Ранее мы рассказывали о другой разработке инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они сконструировали мягкого прозрачного подводного робота, который может двигаться в воде извиваясь всем телом подобно угрю.
Источник
