Бег по воде | Научно-популярный журнал "Химия и Жизнь"

Бег по воде
Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2016, №5)

pic_2016_05_36.jpg

Художник Н.Колпакова

Когда человек наконец-то выберется из своей земной колыбели и начнет освоение других планет, он встретится с множеством неожиданностей, порой приятных. Например, превратив Луну в город-сад — накрыв ее куполами, разбив под ними рощи и плантации, запустив систему искусственных водоемов, — он сможет перемещаться по такой внеземной воде, как посуху. Впрочем, не только на Луне, но и на марсианских спутниках, на Титане и на прочих планетах с малой силой тяжести: там и для человека будут работать механизмы, позволяющие бегать по воде земным животным, самые тяжелые из которых — ящерица василиск и птица поганка.

Вывод о способности человека бегать по воде хотя бы в инопланетных условиях следует из работы лауреатов Игнобелевской премии 2013 года по физике: коллектив, возглавляемый Юрием Иваненко из римского Института госпитализации и научного ухода за пациентами, изучал бег человека по воде при пониженной гравитации («PLoS ONE», 2012, 7, 7, e37300; doi:10.1371/journal.pone.0037300). Участника эксперимента подвешивали на парашютных стропах к пневматическому устройству, которое было отрегулировано так, чтобы вес человека оказался в пределах 10—25% от обычного. На ноги ему надевали небольшие ласты, после чего он пробовал выполнять бег на месте в небольшом бассейне.

Вода может удерживать на поверхности бегущее тело за счет двух сил. Первая — сила поверхностного натяжения. Именно ее используют водомерки, которые не только прекрасно скользят по водной глади, но и могут застывать на месте. Эта сила применима к существам легчайшим. Другая сила гораздо сложнее; она существует только в динамике —с ее помощью на воде не постоишь. А порождает ее вязкость, которая препятствует телу погружаться в жидкость. Величина этой силы зависит от множества факторов, но главнейший из них — скорость, с которой движется тело. Чем больше скорость, тем труднее телу утонуть. Так, если бы человек бежал, как быстрый автомобиль, преодолевая 30 метров за секунду, он бы в воду не провалился. Жаль, что на такой бег у нас нет сил. А вот василиск, весящий десятки граммов, — не тонет, а отважно семенит задними лапками с частотой 7 Гц, перебегая через реку. Правда, чем больше и, стало быть, тяжелее ящерица, тем менее уверенно она это делает. Крупная (полтора килограмма) западноамериканская поганка бегает совсем недалеко — на десяток-другой метров, причем исполняет сей трюк в качестве брачного танца.

Но вот человек, подвешенный на стропах, бежал совсем неплохо. На сатурнианском спутнике Энцеладе с гравитацией примерно 0,1 от земной — совсем легко: все шестеро участников сумели не утонуть. На Луне (0,16 g) с задачей справились четверо. На Ио с 0,19 g половине пришлось трудно. Ну а пределом оказалась гравитация 0,22 от земной — лишь один участник сумел удержаться на воде. Частота же движения их ног достигала 1,5—2 Гц: до василиска далековато.

pic_2016_05_37-1.jpg

Бег по щитам

Этот опыт показал, что по лунным морям, когда их зальют водой, колонисты бегать смогут. Но неужели этого никогда не удастся сделать на Земле? Почему бы и нет: немного смекалки, и решение задачи можно найти, не прибегая к мистическим процедурам. Это сделали Пар Один Лотман и Энди Руина из финского университета Аландских островов. Они решили взять ласты побольше, но для начала, использовав своеобразную версию принципа относительности, построили в бассейне плавучую дорожку из деревянных щитов размером в квадратный метр. Если человек вставал на такой щит, он непременно тонул. Но вот если бежал… Если бежал аккуратно, приноровившись наступать в центр щита, — тогда человек успешно пробегал от одного конца бассейна до другого, лишь замочив ноги. Северные рыбаки порой так и поступают, когда надо пройти между раскрошившимися льдинами. Тут главное — делать все быстро и не останавливаться. Наверное, надев на ноги такие щиты и потренировавшись, можно приспособиться и к водному бегу на длинные дистанции без всяких предварительно приготовленных дорожек.

Тема бега по воде сильно занимает создателей водобегающих роботов. Первого из них в 2008 году сделали Хьюн Су Парк, Стивен Флойд и Метин Сети из питтсбургского Университета Карнеги Мэллона. Он весил 60 граммов, имел четыре ноги, а его ступни при вытаскивании из воды складывались, чтобы уменьшить сопротивление, — именно так бегает поганка. Если робот бежал слишком быстро, он опрокидывался — сказывался малый момент инерции, а увеличить его нельзя, иначе вода не удержит. При малой скорости робот тонул. Оптимальным оказался интервал 7—12 Гц — как у василиска, тем более что и весит он примерно столько же. Еще исследователи отметили неустойчивость в движении робота, если он идет иноходью. В 2013 году сотрудники Академии наук КНР во главе с Сюй Линьсэнь сделали двуногого робота весом 320 граммов, но они пошли на хитрость — ступнями ему служили пенопластовые пластинки. Шестиногий робот, сделанный в Южной Корее в 2015 году, также бегал на поплавках, причем одинаково успешно по суше и по воде — скорость достигла полуметра в секунду. Нельзя сказать, что это честное соревнование поплавки были такими большими, что робот не тонул, даже неподвижно стоя на воде.

pic_2016_05_37-2.jpg

Превращение наземного скакуна в водного

Эти роботы, так же, как и новинка 2015 года — робот-водомерка, — представляют собой копии живых существ. Однако успешные технические устройства, как правило, аналогов в природе не имеют, вспомним изобретение колеса. Именно такой, неизведанный путь выбрали исследователи из Триестского университета во главе с Паоло Галлиной: они решили сделать прыгающего водяного робота («Robotica», март 2015, 1—18; doi: 10.1017/S0263574714002495). Прототипом послужил тренажер «кузнечик» или PoGo-Stick (палка от компании Полманна и Гоппеля). В сущности, это действительно палка. Наверху у нее ручка, в нижней части — платформа, а еще ниже расположена пружина. Стоя на платформе, человек двигает ее вверх-вниз своим телом и так скачет. Но как «кузнечик» сможет прыгать по водной поверхности? При большой скорости движения и вода будет твердью. Исследователи сделали нижний наконечник палки в виде конуса: чтобы легко входил в воду, быстро тормозился и так же легко выходил из нее. И оказалось, что при правильном сочетании угла конуса и жесткости пружины такой «кузнечик» скакал по воде. В опытах «кузнечика» весом в полтора килограмма бросали в воду, и двигатель начинал работать как человек. Спустя 22 секунды пружина развивала такую амплитуду скачков, что низ конуса оказывался выше поверхности воды, так продолжалось еще 23 секунды, и только затем прыгун тонул.

Как видно, раз счет пошел уже на килограммы, значит, прогресс налицо. Поэтому не исключено, что по лунным озерам мы действительно будем бегать, а по земным — все-таки скакать.

Разные разности
28.01.2023
Милосердный пожар
Команда исследователей из Университета Миссури изучила, как почва после лесного пожара, насыщенная д...
10.01.2023
Лед озадачивает
Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Как выяснили химики, секрет кроетс...
09.01.2023
Пишут, что...
…волнистая рябь на поверхности сосулек связана с наличием примесей в воде, из которой сосулька о...
19.12.2022
Пишут, что...
…бездействующая черная дыра в созвездии Змееносца примерно в 10 раз массивнее Солнца и расположе...