НАУКА И МЫ

Медицинские, исторические, технические, социальные и другие научно-исследовательские работы

Образование »  » Биологические

Биомеханика


    Что такое биомеханика. Ни одна отрасль техники так не обязана природе своим стремительным развитием, количеством заимствованных у нее идей и методов, средств и видов передвижения, как современный транспорт во всем его многообразии. Идею создания колеса, возможно, подсказала сама природа. Действительно, присмотритесь повнимательнее, как передвигается человек: опираясь на одну ногу, он отталкивается носком другой ступни от земли и, сохраняя равновесие, выносит ногу вперед; нога-маятник описывает в воздухе часть окружности и в конце пути плавно опускается на землю. Шагание, как говорят инженеры, — это «прерывистое качение». Вот этот простой принцип движения, вполне возможно, привел человека к созданию колеса. 

   Принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу лег в основу созданного в Горьковском политехническом институте имени Жданова под руководством профессора А. Ф. Николаева снегохода с плицевыми движителями. Плицы выдвигаются на необходимую величину, в зависимости от плотности снежного покрова. Водитель плавно с помощью гидросистемы уменьшает дорожный просвет, и машина, как и пингвин, скользит на днище корпуса. Днище покрыто фторопластом, имеющим малый коэффициент сопротивления трения на снегу. Снегоход «Пингвин» может развивать скорость по рыхлому снегу до 50 км/ч. Несомненный интерес для конструкторов наземных транспортных средств представляет ползание животных и волочение туловища по земле. Оба способа движения основаны на использовании следующих друг за другом импульсов – вибраций — различной продолжительности и интенсивности. Под воздействием чередующихся импульсов в грунтах происходят так называемые вибровязкие изменения свойств. Вибромашина не имеет себе равных. При собственной массе свыше двух тонн и с двигателем всего в 14 л. с. она не только двигалась, но и развивала тягу в тонну. Такого усилия достаточно, чтобы тащить по целине груз массой 6—10 т. Этот же вибратор без труда взбирался на песчаные откосы недоступной человеку крутизны. Кенгуру природа приспособила к быстрому бегу прыжками на задних конечностях. Все специфические особенности «прыжкообразного» движения этих животных, как утверждает В. Турик, нашли свое отражение, точнее, техническое воплощение в разработанной им конструкции автомобиля-прыгуна. Прыгающую машину потребуется снабдить амортизацией, которая могла бы сравниться с той, какую обеспечивают задние ноги кенгуру, блестяще приспособленные природой не только для отталкивания, но и для приземления.  


    Внимание ученых привлек обыкновенный паук. Их заинтересовало, как он ходит и довольно быстро бегает, имея длинные лапки, практически лишенные мышц. Ученые установили, что эта движущая сила имеет гидравлическое происхождение. Природа наделила пауков чудесным гидроприводом. Если паук вытягивает лапки, гидропривод повышает в них давление крови до такой степени, что отвердевают их щетинки, и, наоборот, при сгибании конечностей гидропривод уменьшает в них давление крови. В состоянии покоя давление крови в организме паука, лишь на 0,05 атм выше давления окружающего воздуха. Но в момент прыжка животного оно мгновенно повышается на 0,5 атм. «Искусственная гипертония» служит источником энергии, которая позволяет пауку ставить «мировые рекорды» в прыжках.

   Природа создала ноги самых разных конструкций. Выбрать оптимальную для шагохода — одна из важнейших бионических задач. От устройства ног во многом зависит скорость передвижения животных. Великий русский математик П. Л. Чебышев (1821 — 1894) первый, построил модель «переступающего механизма» – «стопоходящей машины», Модель состояла из четырех похожих на греческую букву лямбда ног. Механические ноги соединены так, что их кривошипы образовали обыкновенный параллелограмм, в углах которого находились шарниры. Стоило рукой переместить корпус стопохода вперед или назад, как машина приходила в движение. Четыре ноги перемещались попарно, подобно ногам животного: вторая с четвертой и первая с третьей. Стопоход шагал. Но чебышевская стопоходящая машина не получила практического применения при жизни ее создателя. 90 лет спустя появился опытный образец машины «САМS» («Кибернетическая антропоморфическая механическая система»), которую чаще всего называют «шагающим грузовиком». Этот гигант общей высотой 3,05 м (кузов длиной 3,05 м и шириной 1,21 м) имеет массу около полутора тонн. Он снабжен 90-сильным автомобильным мотором, от которого работает гидронасос, питающий гидродвигатели механизмов четырех длинных (более двух метров) «ног». Каждая нога – это трехзвенный рычаг. Движение каждого из сочленений осуществляется отдельным приводом. А управляет всеми этими движениями человек, сидящий в кабине, расположенной в центральной части машины.


     Поиск рациональной конструкции шагохода привел ряд изобретателей, конструкторов к созданию машин, сочетающих принцип шагания с перекатыванием. Например, чехословацкий инженер Юлиус Мацкерле спроектировал систему, получившую название «шагающее колесо». В механизме его передвижения нетрудно увидеть одну из особенностей ходьбы человека: при каждом шаге нога отталкивается от земли в точке, находящейся несколько позади центра тяжести тела; это заставляет корпус человека падать вперед до тех пор, пока он не выставит вперед другую ногу. Точно так же шагает колесо Мацкерле с помощью большого числа находящихся на ободе пневматических камер. Давление воздуха в них непостоянно, и все они связаны с компрессором, который, изменяя давление в камерах, заставляет колесо перемещаться. 

     Профессор Катыс создал двухопорное шагающее устройство, «шагоход», который состоит из четырех блоков: корпуса в виде штанги с размещенными на ней различными узлами основного, управляющего блока, снабженного анализирующими устройствами, и двух складывающихся опор. И управляющий блок, и опоры перемещаются вдоль штанги и устанавливаются на любом ее участке. Во время перемещения информационный блок производит осмотр очередной контролируемой поверхности вдоль определенной полосы, по длине не ограниченной.

    Профессор Катыс рассказал еще об одном детище руководимого им коллектива, так называемом «перевертыше». Этот аппарат состоит из двух тележек, блока с приборами и целой системы осей и рычагов, кинематически связывающей их. При движении в колесном режиме блок лежит на одной из тележек, а другая покоится на нем. При встрече с препятствием верхняя тележка с помощью управляемых рычагов ложится на противоположный «берег», на нее перевертывается и укладывается блок, а на него — нижняя тележка. Аппарат двигается дальше, но теперь как бы вверх ногами. А если на пути встретится песок, зыбучий грунт, то машина переходит на режим «шагания с переворотом»

     Большой интерес для ученых представляют бимеханические приспособления, которыми снабжены личинки почвообитающих насекомых для прокладывания ходов в почве. Природа наделила их хорошо развитым аппаратом для рыхления или раздвигания частиц грунта и специальными приспособлениями для фиксации положения тела. Раздвигание частиц грунта производится либо гидравлическим способом, либо с помощью расширенных, ножницеобразно двигающихся челюстей. Функции опорных приспособлений для фиксации положения тела выполняют либо одно или два острия, расположенных на заднем конце тела, в плоскости приложения сил рыхлящего аппарата, либо значительное число подушковидных образований, покрытых множеством мелких шипов (эти образования тесно прижимаются к стенкам хода, точно повторяя их неровности). Когда прогресс науки привел к открытию фундаментальных законов не только механики, но и физики, химии, биологии и других отраслей естествознания, оказалось следующее: опираясь на эти законы, кладя их в основу соответствующих технических устройств, можно начать осуществлять одну за другой давнишние мечты человека. Появились аэростаты, затем самолеты, были изобретены подводные лодки и осуществлено множество других замечательных достижений науки и техники. Человек завоевал подобно птицам воздушный океан и подобно рыбам морские глубины.

Новые технологии на страже водосбережения

 »  »  » 
История огнестрельного оружия
Оптическая линия связи
Энергия волн
Ветростанции
Поиск