Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

В своей лекции памяти Джейкоба Броновского, прочитанной в 1979 г. в Массачусетсом технологическом институте, Филип Моррисон привел пример строительного алгоритма термитов. Из измельченного дерева и собственной слюны термиты вырабатывают липкую смесь, напоминающую папье-маше. Крупинки этой смеси склеиваются друг с другом и затвердевают. При постройке термитника — очень сложной конструкции, достигающей шестиметровой высоты, — каждое из насекомых слепо руководствуется следующим алгоритмом:

1. Сделать столбик из крупинок.

2. Когда столбик достиг определенной высоты, посмотреть, нет ли поблизости более высокого столбика, — если есть, то оставить свой столбик и продолжать работу на более высоком.

3. Когда столбик достиг еще большего размера, посмотреть, нет ли по соседству столбика, который можно соединить со своим. Если нет, оставить свой столбик и искать другой подходящий столбик рядом.

4. Если по соседству имеется подходящий столбик, соединить его со своим перемычкой. Далее продолжать все сначала.

Руководствуясь этим алгоритмом, тысячи неорганизованных насекомых строят в результате сложный многоярусный лабиринт. У них нет ни планов, ни чертежей; нет и двух одинаковых термитников, однако все термитники служат прекрасными домами для этих насекомых. По-виднмому, алгоритм должен содержать дополнительные инструкции, предусматривающие, скажем, сводчатую форму сооружения или его ориентацию (термитники нередко вытянуты с севера на юг), но даже такой алгоритм неизмеримо проще самого примитивного эскиза. Разработка конструкций, создаваемых по подобным алгоритмам, могла бы стать одним из направлений в архитектуре.

С разрешения редакции New Scientist.

Долгая история архитектурных поисков и нерационального городского планирования наводит Дедала на мысль, что дома следует делать подвижными, чтобы в случае перепланировки не нужно было разрушать старые здания. Для перемещения домов удобнее всего было бы использовать принцип воздушной подушки, но, поскольку давление, оказываемое зданиями на опорную поверхность, составляет 0,02–2 атм, воздушная подушка вряд ли обеспечит требуемую подъемную силу. К тому же передвижение зданий сопровождалось бы невообразимым шумом. Поэтому Дедал намеревается использовать вместо воздуха воду, плотность которой в 1000 раз выше. Платформа на водяной подушке могла бы создавать значительную подъемную силу при относительно небольшом расходе воды. К сожалению, при этом вода затопит всю улицу, если только каким-то образом не отводить поток. Дедал предлагает окружить платформу водоотсасывающим кольцом, собирающим воду и возвращающим ее в систему. Дедал проектирует здания, оснащенные цистернами, насосами и всем необходимым для того, чтобы в считанные минуты превратить их в самоходные сооружения. Такой системой можно оснастить и многие существующие здания, возведенные на неглубоких или «плавающих» фундаментах.

Громко хлюпая, эти урбанистические суперводомерки будут скользить с места на место, подчиняясь прихотям архитектурной моды: высотный дом уступит место многорядному виадуку, а у подножия гигантов будут копошиться коттеджи и павильончики. Заводы будут ездить по стране в поисках квалифицированных рабочих или правительственных субсидий; пустеющие многоэтажные офисы приползут в центр Лондона, где спрос на них огромен, а старые конторы со своим персоналом покинут насиженные места, уступая требованиям комиссии по перепланировке. Трущобы гетто и загородные виллы будут располагаться обособленно или вперемежку, сообразуясь с текущей правительственной политикой (если же их просто оставить в покое, то со временем они естественным путем придут к равновесию). Проектировщики городов смогут не только учиться на своих ошибках, но и исправлять их. Только составители городских карт и работники коммунального хозяйства, наверное, проклянут новую Утопию.

New Scientist, February 3, 1972.

Рассмотрим платформу радиусом r, под которой в радиальных направлениях прокачивается жидкость через зазор размером x. Общая площадь щели А=2πrx, так что секундный массовый расход жидкости равен m' = arρ = 2πrxvg.

Давление p, создаваемое в жидкости перед щелью, должно равняться потоку импульса через единицу площади щели, т. е. p = 2πrxv 2ρ/2πrx = v 2ρ.

Это давление одинаково всюду под платформой и действует на всю нижнюю ее поверхность. Тогда полная подъемная сила F равна произведению давления на площадь поверхности: F = πr 2v 2ρ. Ясно, что вода, плотность которой в тысячу раз больше, чем у воздуха, создает в тысячу раз большую подъемную силу. Принимая разумные размеры платформы на водяной подушке: r = 10 м, v = 10 м/с, ρ = 1000 кг/м 3, находим: р= 10 2× 1000 Н/м 2= 1 атм; F = π × 10 2×10 2× 1000 = 3,1×10 7Н.

Прекрасно!

Какая мощность потребуется для создания нужного потока жидкости? Окружив здание прочной эластичной «юбкой», мы можем уменьшить зазор между ним и землей до 1 мм. Тогда массовый расход воды составит m' = 2π × 10 × 10 -3× 10 × 1000 = 630 кг/с. Значит, мощность Р = 1/2m'v 2= 0,5×630×10 2= 31 кВт = 40 л.с. Это не так уж много. Чем больше размер платформы, тем лучше, поскольку подъемная сила пропорциональна квадрату радиуса, а требуемая мощность — первой степени радиуса.

Разумность моей идеи настолько очевидна, что я не мог не беспокоиться за свой приоритет. Поэтому я не очень удивился, узнав, что другие организации «наступают на пятки» фирме КОШМАР. Шесть месяцев спустя ( New Scientist, Aug. 17, 1972, p. 340) было опубликовано сообщение о том, что Национальная инженерная лаборатория в Ист-Килбриде использует платформы на водяной подушке для перемещения тяжелых грузов в доках. Патенты иа эти платформы принадлежат Национальной научно-исследовательской корпорации. (Интересно, не потеряли ли они силу из-за того, что я опубликовал свой проект раньше?) Предполагалось, что такие платформы будут в основном использоваться для точной установки тяжелых деталей при сборочных работах. Никто, однако, не додумался пока применять их для перемещения зданий.

Неизвестно, существуют ли ощущения (помимо боли), органически неприятные для человека, например, врожденным ли является отвращение, которое мы испытываем к запаху тухлых яиц или при виде паука? Не так давно, однако, создатели звуковоспроизводящей аппаратуры обнаружили эффект, неприятный для любого слуха. Некоторые транзисторные усилители создают так называемые переходные искажения (типа «ступенька»), при которых на синусоидальном сигнале (между положительным и отрицательным полупериодами) появляется «ступенька». На слух эти искажения воспринимаются очень болезненно, хотя коэффициент нелинейных искажений при этом невелик: ухо, привыкшее к естественным, почти синусоидальным звукам, плохо воспринимает столь необычный сигнал. Дедал советует вводить подобные искажения в голоса злодеев в радиоспектаклях, чтобы сделать их еще более отталкивающими; он видит в этом также средство для тайного саботажа назойливой рекламы или выступлений политических противников. Но можно пойти еще дальше и распространить этот принцип на световые колебания, также имеющие синусоидальную форму. В нелинейной оптике уже известно много материалов, оптические свойства которых изменяются под действием электрического поля (например, электромагнитного поля, т. е. света). Специалисты фирмы КОШМАР пытаются найти стекло, которое проводит электрический ток (и поэтому непрозрачно) в слабых полях, но становится изолятором (и приобретает прозрачность) в сильных полях. Такое стекло («мерзиглас») будет аккуратно «вырезать» из синусоиды участки с интенсивностью ниже пороговой, но в то же время пропускать пики без заметного ослабления. Световая волна, проходя через такое стекло, будет претерпевать сильнейшее искажение типа «ступенька».