Яна Хлюстова - Шнобелевская премия. Самые нелепые изобретения и не только

В 2002 году появилась еще одна статья, которую написал Айван Рой Шваб из Калифорнийского университета в Дейвисе. Шваб — офтальмолог, но это не помешало ему детально описать все приспособления, благодаря которым дятлы не наносят себе травм. К ним относятся, например, толстые и пористые кости черепа (которые еще больше утолщаются на затылке и у основания нижней челюсти); практически полное отсутствие спинномозговой жидкости в субарахноидальном пространстве (полости между мягкой и паутинной оболочками головного мозга); мощные мышцы, прикрепляющие челюсти к черепу и сокращающиеся за несколько миллисекунд до удара. Это сокращение позволяет перераспределить «отдачу» от удара и направить ее к затылку и основанию черепа, «обходя» мозг. Кстати, клюв дятла всегда касается поверхности дерева строго под углом в 90 градусов — иначе сила кручения разорвала бы мозговые оболочки или вызвала сотрясение мозга. Еще один защитный механизм — толстые мигательные перепонки, которые закрывают глаза птицы за несколько миллисекунд до удара. Они не только прикрывают от летящих обломков древесины, но и выступают своеобразными «ремнями безопасности» — не дают глазам в буквальном смысле слова вылететь из орбит. Однако самое необычное приспособление дятла — это его язык, который, по сути, обмотан вокруг черепа. Язык прикрепляется не к задней части клюва, как у других птиц, а к верхней челюсти, проходит через правую ноздрю, делится на две части, оборачивается вокруг затылка (проходя слева и справа от позвоночника), затем выходит к нижней челюсти. Две части языка вновь соединяются в одну лишь в глотке. По мнению Шваба, эти «полоски» из мышц обеспечивают дополнительную амортизацию удара.

Конечно, исследование черепов дятлов продолжалось и после присуждения Швабу и Мэю награды. В 2011 году китайские ученые создали трехмерную модель головы дятла и провели виртуальные «краш-тесты», а в 2018 году американские исследователи установили, что в мозге дятла накапливается тот же белок, что и в мозге человека при сотрясении. По мнению авторов, это не говорит о том, что птицы постоянно страдают от травм. Скорее всего, накопление тау-белка — это адаптационный механизм, возникший вследствие высоких нагрузок, однако этот вопрос требует дальнейшего исследования.

Все эти работы проводятся не просто с целью удовлетворить интерес биологов — они имеют вполне практическое применение. Идеи Филипа Мэя о защите, сделанной по образу и подобию черепа дятла, все-таки были воплощены в жизнь — это сделали сотрудники Калифорнийского университета в Беркли в 2010 году. Юн Санхи и Пак Сунмин при помощи компьютерной томографии проанализировали клюв, подъязычную кость, губчатые кости и череп дятла под названием золотолобый меланерпес ( Melanerpes aurifrons ), а потом создали новый тип защитного устройства для хрупкой техники: датчиков, сенсоров микросхем. Устройство сделано в виде стеклянной сферы внутри алюминиевого цилиндра, который в свою очередь защищен металлическим кожухом. Выстрелив этим «чехлом» из пневматического ружья, ученые выяснили, что хрупкий груз внутри сферы выдержал перегрузку в 60 000g — конструкция подвела лишь в 0,7 % случаев. Помимо защиты электроники — например, черных ящиков самолетов — эта технология может стать основой для создания экипировки для солдат, автогонщиков и спортсменов.

Пока специалисты присматриваются к разработке Юна Санхи и Пака Сунмина, промышленный дизайнер Анируда Сураби создал шлем для велосипедистов из… картона. Правда, из необычного: он сделал специальный двухслойный картон, внутренняя структура которого копирует пчелиные соты. Однако вдохновили дизайнера на такое решение дятлы: «Основание клюва отделено от их черепа гибким губчатым хрящом, который действует как амортизатор и смягчает удары. А шестиугольные элементы встречаются в природе очень часто, и они обеспечивают защиту от внешнего воздействия практически со всех направлений», — комментирует он. Изобретение Сураби в три раза лучше защищает головы велосипедистов, чем обычные шлемы из полистирола: при столкновении на скорости 24 км/ч человек в полистироловом шлеме испытает перегрузку примерно в 220g, а в шлеме из картона — около 70g. Весит же новая экипировка на 15 % меньше.

Конечно, дятлы не единственные птицы, особенности которых оказались полезными для людей. Например, зимородки вдохновили инженера Эидзи Накацу, менеджера по техническому развитию высокоскоростной сети японских железных дорог «Синкансэн», на создание поезда нового типа.

Составы линий «Синкансэн» называют «поезда-пули» — они ходят со скоростью от 240 до 320 км/ч. в 2015 году был установлен мировой рекорд: поезд на магнитной подушке (он не касается рельсов, как бы левитируя над ними) смог разогнаться до 603 км/ч. впрочем, попыток эксплуатировать такие составы на скорости выше 500 км/ч пока не было.

Целью Накацу было ускорение и без того быстрых поездов, но прежде всего он должен был решить проблему шума и ударной волны, возникающих при движении локомотива. Врываясь в туннель, поезд «выдавливал» из него воздух — волна со скоростью звука достигала противоположного конца туннеля, создавая шум и аэродинамические колебания. Проблема была связана как со скоростью поезда (которую Накацу хотел сделать еще выше), так и с формой туннелей (которую инженер изменить не мог). При этом увеличение скорости поезда на одну единицу вызывало трехкратное повышение давления в туннеле. Очевидно, что работать нужно было с формой локомотива.

Один из коллег Накацу заметил, что поезд при проезде через туннель как будто бы «сжимается». Инженер предположил, что, скорее всего, такое впечатление создается из-за разного сопротивления воздуха: на открытом пространстве оно меньше, в узком туннеле — больше. На что это похоже?

Накацу увлекался наблюдениями за птицами и вспомнил: зимородок способен на высокой скорости входить из воздуха в воду (плотность которой в 800 раз выше) с едва заметным всплеском. Моделирование показало: форма клюва зимородка (верхняя и нижняя части имеют треугольные поперечные сечения с изогнутыми сторонами треугольников, а вместе формируют сплющенный ромб) намного превосходит инженерные проекты.

Поезд «Синкансэн 500» развивал скорость до 270 км/ч (конструкционная скорость достигала 300 км/ч — мировой рекорд для того времени), при этом ему требовалось на 13 % меньше энергии, чем предыдущей модели, а уровень шума при движении сохранялся на допустимом уровне 70 децибел. «Синкансэн 500» ввели в эксплуатацию 22 марта 1997 года.

Говоря о том, как животные помогают человеку увеличивать скорость транспортных средств и уменьшать их сопротивляемость окружающей среде, нельзя не сказать об акулах. Их кожа покрыта крошечными чешуйками из дентина (твердая ткань, из которой состоят наши зубы): если провести рукой от головы акулы к хвосту, она будет гладкой на ощупь, а если погладить животное «против шерсти» — кожа ощетинится. В 2000 году компания Speedo, производящая снаряжение для плавания, представила костюм Fastskin — его прообразом стала именно акулья кожа. Костюм существенно уменьшал сопротивление воды, и его обладатель плыл быстрее (с 2010 года использование подобной одежды запрещено на соревнованиях). Но акулы «помогают» не только пловцам — они еще могут сэкономить деньги военных.