Феликс Патури - Растения - гениальные инженеры природы

• Название: Растения - гениальные инженеры природы
• Автор: Феликс Патури
• Издательство: Прогресс
• Жанр: Научпоп
• Год: 1982

«Растения — химики», «Растения — архитекторы, строители, механики», «Рекорды измерительной техники» — это названия лишь нескольких глав из книги ученого — популяризатора науки Феликса Р. Патури. Занимательно и со знанием дела рассказывает автор о том, как решаются в мире растений многие проблемы из области экологии, энергетики, передачи информации, утилизации отходов, рационального использования ресурсов окружающей среды и др.

Решения-модели, найденные растениями, этими, по выражению автора, «лучшими в мире инженерами», эффективны, экологически безупречны и одновременно просты. Умелое заимствование их человеком означало бы большую экономию средств и времени.

Рекомендуется широким читательским кругам.

---

В архитектуре не было аналогов для подобного проекта, ибо новое не имеет образцов для подражания. Правда, инженеры, строители мостов, уже в течение почти целого столетия на практике демонстрировали конструктивные преимущества и высокую несущую способность стальных конструкций. Сам Пакстон построил в 1837 году крупнейшую для того времени оранжерею из стекла и стали. Но подобные инженерные решения нельзя было безоговорочно переносить в область создания крупных сооружений павильонного типа. Если бы при возведении таких зданий стали использовать лишь тяжелые фермы, какие применяются при строительстве мостов, то здания получились бы чересчур массивными и громоздкими. Творению же Пакстона надлежало быть изящным и легким. И тут бывший садовод-любитель вспомнил о некоей растительной конструкции, которая сочетала в себе, с одной стороны, малые затраты строительных материалов, а с другой — высокую устойчивость и столь же высокую грузоподъемность. В молодости Пакстону часто приходилось любоваться гигантскими плавающими листьями Виктории регии. Ее округлые листья достигают в диаметре 2 метров (фото 6). Несмотря на незначительную толщину, они достаточно прочны, чтобы выдержать тяжесть взрослого человека. Своей столь высокой прочностью листья обязаны тому, что их нижняя поверхность усилена своего рода балками (фото 7). Из центра листа лучами, напоминающими спицы в колесах, расходятся во все стороны толстые, сильно выдающиеся жилки, которые по мере приближения к краю листа становятся все более и более плоскими. Из-за того, что жилки многократно, до пяти раз, ветвятся, расстояние между ними у кромки листа остается небольшим. В результате из одной крупной жилки в центре листа у его периферии образуется до 32 жилок, скрепленных друг с другом более плоскими поперечными связками.

Фото 6. Гигантские плавающие на поверхности воды листья Victoria regia с их высоко приподнятыми краями — прекрасный пример ботанической «лодки». Подъемная сила этих листьев необычайно велика. Юная девушка, изображенная на фотографии, весит почти 40 килограммов.

Фото 7. Совершенная конструкция «распорок» на нижней стороне листа Виктории регии обеспечивает ему очень высокую прочность.

Фото 8. Ажурную конструкцию своего Хрустального дворца архитектор Джозеф Пакстон заимствовал у листьев тропических водяных лилий.

Решение было найдено. Именно таким образом должен конструировать свой Хрустальный дворец и он, Джозеф Пакстон. Основу составят немногочисленные крупные силовые балки, от них отойдут менее крупные распорки, которые соединят между собой многочисленные тонкие связи. Более изящной конструкции он создать не мог (фото 8). Пятнадцатого июля 1850 года королевская комиссия телеграфом подтвердила выбор его проекта. Но если быть справедливым до конца, то истинным победителем в этом конкурсе надо считать не Джозефа Пакстона, а тропическую лилию. Заслуга Пакстона лишь в его наблюдательности, в том, что он сумел воплотить в стекле и металле строительные принципы, какие существуют в растительном мире уже очень много лет.

Когда техническая мысль приходит к тем же результатам, какие дает биологическая эволюция, или же когда в качестве образца она использует инженерные решения, найденные природой, мы можем быть полностью уверены в том, что созданная ею конструкция окажется целесообразной.

Гофрированный лист

Существуют две возможности, позволяющие придать тонкому листу со значительной площадью поверхности, а именно таковы листья многих тропических растений, дополнительную жесткость.

С одной из них мы уже познакомились. Это — образование ребер жесткости. Для водных растений, как Виктория регия, этот метод вполне пригоден. Здесь практически не имеет никакого значения то обстоятельство, что дополнительные конструкции в форме многочисленных распорок утяжеляют лист. Вода, на поверхности которой плавают листья гигантских лилий, хорошо выдерживает их вес.

Иное дело крупные и очень крупные листья наземных растений, и прежде всего тех, которые произрастают в тропических районах Земли с их частыми ураганными ветрами и сильными ливнями.

Длина листьев некоторых видов веерообразных пальм достигает 5—10 метров, в отдельных случаях — 15 метров при ширине 3—4 метра. Площадь поверхности таких листьев-гигантов колеблется от 15 до 60 квадратных метров. Само собой разумеется, что при столь огромных размерах сам лист должен быть предельно легким, с тем чтобы не создавать чрезмерной нагрузки на черешок. Черешок должен не только выдерживать вес листа-гиганта, но и суметь оказывать сопротивление всем воздействующим на него силам. На островах Малайского архипелага почти ежедневно во второй половине дня разражаются тропические ливни. Они сопровождаются ураганными ветрами, подвергающими листья пальм и других растений жесточайшим испытаниям на прочность. Одновременно с неба всего за несколько часов на землю низвергается колоссальное количество воды, какого не может дать даже знаменитый зальцбургский ливень, даже если бы он длился целый месяц. Поэтому крупные листья тропических растений, чтобы противостоять всем превратностям непогоды, должны быть, с одной стороны, исключительно легкими, с другой — в высшей степени прочными. Суметь конструктивно увязать такие характеристики, как легкость и прочность, — чрезвычайно сложная техническая проблема. Растениям удалось успешно решить ее, использовав принцип гофрирования. Хорошо известно, что жесткость на изгиб тонкого листа стали повышается, если сделать на нем ряд параллельных волнистых складок. Сколь значительным может быть при этом увеличение прочности, показывает простой пример. Возьмем лист машинописной бумаги и сложим его гармошкой по длине с таким расчетом, чтобы ширина каждой складки составляла один сантиметр. В итоге мы получим лист гофрированной бумаги. Если теперь лист обычной бумаги положить на две опоры, установленные по его краям, то он прогнется под собственной тяжестью (6 граммов). Этого не произойдет с гофрированным листом, даже если на него поместить значительный груз. На фото 9 такой лист опирается концами на две рюмки, отстоящие друга от друга на 23 сантиметра. В середину пролета поставлен наполненный вином бокал, вес которого равен 230 граммам. Бумага, сложенная гармошкой, выдерживает этот вес. Нагрузку продолжают увеличивать, и лишь когда она достигла 700 граммов, гофрированный лист бумаги прогнулся. Таким образом, соответствующее профилирование поверхности бумажного листа позволило увеличить его прочность, без установки промежуточной опоры, более чем в 100 раз.

Фото 9. Если сложить лист обыкновенной бумаги гармошкой, его прочность возрастет более чем в 100 раз!

Фото 10. Своей прочностью гигантские листья многих видов пальм обязаны все тому же принципу гофрирования «строительного материала». На снимке — лист южнокитайской ливистонии.

Фото 11. На снимке изображена свободнонесущая конструкция перекрытия, установленного над въездом в тоннель под Монбланом. По своей форме она напоминает гигантский лист пальмы.

Метод по-гениальному прост. Его с успехом использует природа, создав листья, имеющие в поперечном разрезе зигзагообразную форму (фото 10). Любопытно, что лист не становится менее прочным даже тогда, когда он оказывается, как это хорошо видно на снимке, надорванным по каждому второму сгибу. Частичное разрушение листовой пластинки ни в коей мере не отражается на его биологической функции, ибо оно «запланировано» природой. У многих видов растений лист, если только он не несет особой нагрузки, в процессе роста самопроизвольно, без какой-либо видимой причины надрывается. Еще в 1893 году такие листья были описаны профессором Г. Хаберландтом, ботаником, художником, исследователем тропической растительности и прекрасным натуралистом:

«Если бы кто-нибудь пожелал написать трактат о нерациональных творениях в царстве растений, тому, несомненно, показалось бы очень заманчивым рассказать о банановом дереве (Musa sapientum), чьи гигантские листья разрезаны дождем и ветром до серединки пластинки на многочисленные узкие полоски. Однако при более тщательном рассмотрении становится ясно, что пример выбран крайне неудачно. Листья, края которых никак не защищены от механических повреждений, легко надрываются; разрыв происходит параллельно вторичным жилкам листа вплоть до самой крупной срединной жилка. Раны листа заживают легко и быстро, а обвисшие, казалось бы вялые, сегменты продолжают нормально функционировать. Сильные ветры превращают чересчур крупные цельные листовые пластинки в лохматую бахрому. Это обстоятельство позволяет растению экономить „строительные“ материалы, иначе для того, чтобы предотвратить разрыв листьев большой площади, потребовалось бы применить мощные механические конструкции. Вместе с тем многократно разорванная листовая пластинка дает растению еще одно преимущество. Свободно висящие узкие сегменты листа жестко не закреплены, и это предохраняет их от повреждений сильными тропическими ливнями и защищает от палящих лучей высоко стоящего тропического солнца: на сегменты по сравнению с неповрежденной поверхностью лучи солнца падают под более острым углом. Итак, буквально „измочаленный“ ветрами и ливнями лист банана являет собой поучительный пример того, как в мире растений из, казалось бы, полностью нерациональных начал формируется нечто целесообразное. Это, далее, напоминание о том, что в области приспособления природе ничто так не чуждо, как ничем не оправданное, упорное сохранение одних и тех же, хотя бы и проверенных практикой схем».