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

16.08.2018 10:00:00

В этом году Европейское физическое общество (EPS) совместно с РАН учредило свою высшую награду и назвало её в честь выпускника и профессора Физтеха Владилена Летохова (EPS Vladilen Letokhov award). Премия будет присваиваться учёным за исключительные достижения в области взаимодействия лазерного излучения с веществом. Это признание выдающегося вклада Владилена Летохова в развитие лазерной физики, в частности спектроскопии атомов и молекул, лазерной манипуляции атомами и изучение процессов в сильных полях.

>>
13.08.2018 14:00:00

Студент физического факультета и сотрудники Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга МГУ имени М.В. Ломоносова открыли сверхмассивную черную дыру в центре галактики Fornax UCD3, которая относится к редкому классу ультракомпактных карликов.

>>
06.08.2018 10:00:00

...всемирно известная горилла Коко, владевшая языком жестов ASL, скончалась во сне в возрасте 46 лет...

...скоро будут созданы абсолютно прозрачные солнечные батареи, использующие энергию ультрафиолетового и инфракрасного света, но пропускающие видимый свет во всем диапазоне; их можно будет вставлять в окна вместо стекол...

...робот наливал пиво, а искусственный интеллект оценивал эмоции людей, чтобы определить, не проводя опросы, какая пенная шапка будет наиболее привлекательной...


>>
30.07.2018 10:00:00

Группа китайских исследователей выяснила, какой уровень риска общество считает приемлемым для роботов-автомобилей.

>>
27.07.2018 10:00:00

В конце лета, после того как собран урожай, освободившиеся грядки засевают так называемыми сидератами. Считается, что они улучшают структуру почвы, защищают от сорняков и вообще служат зелеными удобрениями. Это утверждение проверили американские почвоведы из Висконсинского университета. А изучали они поле, где сидератом служила редиска.

>>