Глава 5
Растянутые конструкции и сосуды под давлением - о паровых котлах, летучих мышах и джонках
Корабль определенно двигался быстрей, и паруса лучшедержали ветер, но как раз в этот момент ураган усилился. "Если что-нибудьслучится с парусами, мы пропали, сэр", - снова произнес первый помощник.
"Я отдаю себе в этом полный отчет, - холодно ответилкапитан, - но, как я уже говорил, и вы должны теперь это сознавать, паруса- наш единственный шанс. Всякая небрежность и беззаботность в подгонкеи закреплении оснастки не останется теперь безнаказанной, и пусть эта опасность,если нам удастся спастись, послужит нам постоянным напоминанием о том,как дорого приходится платить за пренебрежение своим долгом".
Наиболее простыми для рассмотрения являются, вообще говоря, такие конструкции,которые должны оказывать сопротивление только растягивающим нагрузкам -силам, возникающим, когда тянут, а не когда толкают. Из этих конструкцийсамыми простыми являются те, которые растягиваются только в одном определенномнаправлении; типичным случаем таких конструкций может быть веревка илистержень. Хотя такие одноосные нагружения можно наблюдать у растений, особеннов их корнях, лучше рассмотреть другие биологические конструкции - мышцыи сухожилия животных, голосовые связки и сплетаемую пауком паутину.
Мышцы - это мягкая ткань, которая при получении соответствующего нервногосигнала способна сокращаться и таким образом создавать силы растяжения.Но хотя мышцы представляют собой более эффективное устройство для преобразованияхимической энергии в механическую работу, чем любая созданная человекоммашина, они не очень сильны и прочны. Поэтому, чтобы создавать и выдерживатьзначительные механические натяжения, мышцы должны быть толстыми и иметьбольшой объем. Отчасти по этой причине во многих случаях мышцы соединяютсяс костями, которыми они управляют, посредством промежуточных соединительныхзвеньев, похожих на струны и состоящих из сухожилий. Хотя сухожилия самисокращаться не способны, они во много раз прочнее мышц, и поэтому для того,чтобы передать заданную растягивающую силу, достаточно, чтобы их поперечноесечение составляло лишь небольшую часть сечения мышц. Таким образом, задачасухожилий близка к задаче, которую обычно выполняют веревки и проволока,хотя, как мы видели в предыдущей главе, они могут работать и как пружины.
Некоторые сухожилия очень короткие, а некоторые - весьма длинные, ивсе они проходят по телу не менее сложным образом, чем проволочки в старомоднойвикторианской системе колоколов. Особенно длинны сухожилия рук и ног. Мышцыног не только велики, но и тяжелы, поэтому целесообразно, чтобы центр тяжестиног располагался как можно выше. Дело в том, что при нормальной ходьбенога действует подобно маятнику, колеблясь с присущим ей периодом свободныхколебаний и расходуя предельно мало энергии. Бег гораздо утомительнее именнооттого, что мы заставляем ноги колебаться с частотой, большей, чем их собственнаячастота свободных колебаний. Но собственная частота колебаний ноги будеттем выше, чем ближе центр тяжести ноги к тазобедренному суставу. Поэтомуу нас массивные икры и бедра и, к счастью, небольшие ступни и лодыжки.
Однако не меньшей помехой в жизни, чем большие ступни, были бы большиекисти рук (хотя кто-то может сказать, что только не для полисменов). Нашируки, конечно, произошли от передних ног, и идея "дистанционного" управлениядвижением рук реализована с еще большей полнотой, чем в случае ног. С помощьюсухожилий, даже более длинных и тонких, чем у ног, кисти и пальцы управляютсямышцами, расположенными в предплечьях, то есть на очень большом расстоянии.За счет этого кисть оказывается значительно более тонкой, чем в случае,если бы в ней находились и все управляющие ею мышцы. Преимущества существующегов действительности расположения мышц с механической, а возможно, и с эстетическойточки зрения очевидны.
Много простых примеров одноосного растяжения встречается и в конструкциях,созданных человеком; так, к числу их принадлежат рыболовная леска и тросподъемного крана. Эти случаи мало отличаются от задачи о висящем на веревкекирпиче, обсуждавшейся нами в гл. 2. А вот такие случаи, как сооружениепарусной оснастки корабля или проектирование линий электропередач, гораздоинтереснее и сложнее.
Расчет оснастки корабля - выбор необходимой толщины каждого каната -не вызвал бы никаких трудностей, если было бы известно, какие нагрузкипридется выдерживать канатам. Здесь сложность состоит в том, чтобы не ошибитьсяпри определении тех сил, которые действуют в столь сложной системе, какпарусный корабль. Хотя существует несколько путей решения этой задачи,я сильно подозреваю, что большинство конструкторов яхт предпочитают строитьсвои расчеты на догадках бывалых людей. Однако догадки хороши только тогда,когда они оказываются правильными, в противном случае это скорее всегоприведет к потере мачты.Если такое случается, когда кораблю угрожают опасныеподветренные берега (как в случае фрегата Мэриета), последствия могут оказатьсяболее чем серьезными.
Сегодня увлечение горными лыжами породило огромную международную индустрию,зависящую от исправной работы многих тысяч подъемников и канатных дорог.Большинству из тех, кто оказывается над пугающей бездной, я думаю, не безразличнапрочность стальных канатов, на которых держится вагончик канатной дорогиили кресло подъемника. Такие канаты рвутся очень редко, поскольку возникающиев этом случае статические нагрузки определяются с большой точностью, ине представляет труда произвести расчеты и гарантировать достаточный запаспрочности. Более серьезную опасность представляет сильное раскачиваниеканатов на ветру, поскольку при этом вагончики могут удариться друг о другаили о поддерживающую опору. Проектировщики же и в этом случае, по-видимому,основываются главным образом на догадках и прецедентах.
Совсем иное применение одноосного растяжения мы видим в музыкальныхинструментах. Высота звука, издаваемого натянутой струной, зависит не только отее длины, но также и от напряжений растяжения в ней[37].
В струнных инструментах соответствующие напряжения создаются путем натягиванияструн из жесткого материала, стальной проволоки или сухожилий на подходящуюраму, которой может служить гриф скрипки или чугунная станина фортепиано.Поскольку жесткими являются и струна, и рама, весьма небольшое удлинениесильно меняет напряжение в струне и, следовательно, высоту звука. Именнопоэтому такие инструменты очень чувствительны к настройке. Если аналогичнымобразом заставить звучать, словно струну, натянутую веревку, то по высотезвука можно определить напряжение материала. У древних римлян командирбоевой катапульты должен был иметь хороший музыкальный слух, чтобы на слухопределять, с какой силой натянуты канаты из сухожилий при подготовке кбою.
Хотя устройство, которым наделила человека природа, позволяющее издаватьзвуки, во многих отношениях отличается от струнных инструментов, принципего действия аналогичен принципу действия последних. Механизмы работы этогоустройства довольно сложны, но и в пении, и в речи человека существенноеучастие принимает гортань. Интересно отметить, что различные ткани, изкоторых состоит гортань, относятся к небольшому числу мягких тканей человеческоготела, поведение которых более или менее подчиняется закону Гука; большинствоже других тканей человеческого тела, как мы увидим в гл. 7, подчиняетсясвоим собственным, совершенно иным и не всегда ясным законам.
Гортань содержит так называемые голосовые связки. Это полосы, или складки,ткани, напряжение в которой может изменяться с помощью мышечных натяжений,что позволяет управлять частотой вибрации голосовых связок. Поскольку модульЮнга голосовых связок довольно низок, для возникновения в них нужных напряженийони иногда должны испытывать большие деформации. Так, когда мы хотим получитьзвук большой высоты, они должны удлиниться на 50 и более процентов.
Между прочим, высокий голос у женщин и детей обусловлен не более сильнымнатяжением их голосовых связок, а меньшими размерами гортани и голосовыхсвязок (они короче). Удивительна разница в размерах гортани у взрослыхмужчин и женщин: примерно 36 мм у мужчин и 26 мм у женщин. А вот размерыгортани у мальчиков и девочек до периода созревания почти одинаковы. "Ломка"голоса у мальчиков в возрасте около 14 лет связана не с изменением натяженияголосовых связок, а с довольно резким увеличением размеров гортани.
Трубы и сосуды высокого давления
С механической точки зрения растения и животных можно рассматриватькак системы большого числа трубок и сосудов, назначением которых являетсяудержание и распределение различных жидкостей и газов. Величины давленияв биологических системах обычно не очень велики, но ими ни в коем случаенельзя пренебрегать: сосуды и мембраны живого организма время от времениразрываются, нередко с фатальными последствиями.
Появление надежных сосудов высокого давления в технике следует отнестик достижениям сравнительно недавнего времени, а что бы мы делали, еслибы не существовало труб, даже трудно себе представить. Отсутствие трубввергло древних римлян в громадные затраты при создании городской системыводоснабжения: чтобы пустить воду по открытым каналам в холмистой местности,пришлось строить высокие акведуки. Первыми камерами, которые должны быливыдерживать высокие давления, были стволы пушек, и, как известно из истории,они никогда не были вполне надежны и часто разрывались. Список убитых принеожиданном разрыве орудийного ствола, начатый шотландским королем ЯковомII, был бы длинен и впечатляющ. Тем не менее, когда в начале XIX в. в Лондонестало вводиться газовое освещение, трубы заказали бирмингемским оружейныммастерам, так что первые газовые трубы на самом деле были цепочками соединенныхмежду собой мушкетных стволов.
Можно найти множество книг, где говорится об истории развития паровогодвигателя, но почти ничего нельзя прочесть об истории совершенствованиятруб и котлов, которые в значительной мере определяли это развитие. Первыедвигатели были тяжелыми и громоздкими и потребляли огромные количестватоплива главным образом потому, что они работали при очень низких давленияхпара. Однако для несовершенных котлов того времени эти давления следуетпризнать значительными.
Производство более легких, компактных и экономичных двигателей целикомзависело от возможности перехода на более высокие рабочие давления. Пароходы20-х годов прошлого века при давлении пара 0,5-1,0 атм, обеспечиваемогоквадратным котлом типа "стога сена", потребляли около 7 кг угля на лошадинуюсилу в час (кг/л.с.-ч).
В 50-е годы прошлого века инженеры все еще имели дело с давлениями около1,5 атм и расход угля был примерно 4 кг/л.с.-ч. К 1900 г. давление параперевалило за 15 атм, а расход угля упал до 0,6-0,7 кг/л.с.-ч - десятикратноеуменьшение за 80 лет. Это были уже не те первые пароходы, которые вытеснялис морских путей парусные суда, а пароходы с двигателями тройного расширения,"шотландскими" котлами и низкой стоимостью топлива, способные покрыватьбольшие расстояния.
История котлов высокого давления тоже изобилует несчастными случаями. Втечение всего XIX в. взрывы котлов были сравнительно частыми, и, конечно,нередко ужасными были их последствия. В развернувшемся процессе повышениярабочих давлений лидерство принадлежало американским речным пароходам. Всередине прошлого века на Миссисипи речные пароходы регулярно пускались втысячекилометровые драматичные рейсы. Проектировщики почти все приносили вжертву скорости и легкости судна, довольно легкомысленно и оптимистическиоценивая возможности паровых котлов. Только за 1859 и 1860 гг. 27 из этихпароходов затонули в результате взрыва котлов[38].
Хотя причиной некоторых из этих несчастных случаев была преступная практикаэксплуатации (например, перекрытие предохранительных клапанов), в большинствесвоем они были вызваны отсутствием надлежащих расчетов при проектировании. Этодостойно сожаления, поскольку рассчитать напряжения, возникающие в сосудевысокого давления, очень просто. Настолько просто, что, насколько мне удалосьустановить, никто не претендовал когда-либо на честь первооткрывателя этихрасчетов[39],здесь достаточно самой элементарной алгебры.
Сферические сосуды высокого давления
Рассмотрение сосудов высокого давления любого рода (различные баллоны,пузыри, трубки, желудочки, котлы, артерии) связано с анализом растягивающихнапряжений, которые одновременно действуют более чем в одном направлении.На первый взгляд это может показаться сложным, но на самом деле здесь нетповодов для беспокойства. Стенки любого сосуда высокого давления несутдве функции. Они должны удерживать жидкость и быть водо- или газонепроницаемымии в то же время выдерживать напряжения, возникающие за счет внутреннегодавления. Растягивающие напряжения в этих стенках почти всегда действуютв плоскости этих стенок в обоих направлениях, то есть как бы параллельноих поверхности. Напряжение в третьем направлении, перпендикулярном к поверхности,обычно пренебрежимо мало, и им можно пренебречь. Рассмотрим в первую очередьсосуд высокого давления сферической формы. Предположим, что стенки, илиоболочка, сосуда, изображенного на рис. 26, являются достаточно тонкимии их толщина составляет, скажем, менее 1/10 от его диаметра. Радиус оболочки,взятый до половины толщины стенок, обозначим через r, толщинастенок оболочки - t и давление жидкости или газа на оболочкуизнутри - p (эти величины могут быть взяты в любых единицахизмерения). Мысленно разрежем камеру, подобно грейпфруту, пополам; из рассмотрениярис. 26, 27 и 28 достаточно ясно следует, что напряжение оболочки во всехнаправлениях, параллельных ее поверхности, будет выражаться формулойs =rp/2t
Это стандартная инженерная формула.
Рис. 26. Сосуд высокого давления сферической формы. Внутреннее давлениеp, средний радиус сосуда r и толщина стенки t.
Рис. 27. Схематический разрез сосуда высокогодавления. Представим себе, что сосуд разрезан пополам. Равнодействующаясил давления, действующего внутри каждой из половинок оболочки, должнауравновешиваться напряжениями, действующими на поверхности разреза. Площадьэтой поверхности равна 2πrt.
Рис. 28. Равнодействующая сил давления, действующего на поверхностьполусферы, равна силе давления, действующей на плоский диск того же диаметра,которая имеет величину πr2p. Следовательно, напряжение s =(нагрузка / площадь) = (πr2p) / (2πrt) = rp/2t
Цилиндрические сосуды высокого давления
Сферические сосуды находят свое применение в технике, но более широкоиспользуются сосуды цилиндрической формы, особенно в виде труб. Поверхностьцилиндра не обладает такой симметрией, как поверхность сферы, и поэтомумы не можем предположить, что напряжение, действующее в направлении осицилиндра, и напряжение, действующее в направлении его окружности, одинаковы;они и на самом деле неодинаковы. Обозначим s1напряжение в оболочке цилиндра в осевом направлении и s2 -в окружном направлении.
Из рис. 29 видно, что напряжение s1 - осевоенапряжение в оболочке - должно быть таким же, как и у сферического сосуда,то естьs1=rp/2t.
Чтобы получить величину окружного напряжения s2,мысленно разрежем цилиндр в другой плоскости, как показано на рис. 30;это позволит заключить, чтоs2=rp/t.
Таким образом, окружное напряжение в стенках цилиндрического сосудавысокого давления равняется удвоенному осевому напряжению, то есть s2=2s1 (рис. 31). Одно из следствийэтого мог наблюдать каждый, кто хоть однажды отваривал сосиски. Когда содержимоесосиски чрезмерно разбухает и шкурка лопается, разрыв всегда бывает продольным.Иными словами, шкурка разрывается вследствие действия окружного, а не осевогонапряжения.
Рис. 29. Продольное напряжение s1 в оболочке цилиндрического сосудавысокого давления равно напряжению в эквивалентном сферическом сосуде:s1=rp/2t.
Рис. 30. Окружное напряжение в цилиндрическом сосуде s2=rp/t.
Рис. 31. Напряжение в стенках цилиндрического сосуда высокого давления
Эти формулы постоянно в ходу не только в инженерном деле, но и в биологии.Их используют для вычисления прочности труб, котлов, воздушных шаров, куполовкрыш с воздушной поддержкой, ракет и космических кораблей. Как мы увидимв гл. 7, с этим же простым разделом теории целиком связан вопрос о постепенномпревращении амебообразных существ в удлиненные и более подвижные примитивныесоздания.
Другим следствием проделанных нами расчетов является то, что при необходимостиудерживать при данном давлении данное количество жидкости потребуется цилиндрическийсосуд большего веса, чем сферический. Там, где весовой фактор весьма существен,как в кислородных баллонах, которые берет с собой на большую высоту альпинист,или в баллонах стартовых ускорителей самолета, сферическая форма являетсяобычной. В большинстве же других случаев, где вес не так важен, используютсяконтейнеры цилиндрической формы как более дешевые и удобные, например газовыебаллоны, используемые в быту, в больницах, гаражах.
Китайская инженерия, или лучше прогнуться, чем лопнуть
Всякий, кто проектирует парусное судно, непременнорешает интереснейшую проблему: как судну не лишиться в море своей оснастки.Мнения поэтому вопросу разделяются. Имеются две школы инженерной мысли- восточная и западная. Мы, на Западе, считаем, что наилучший способ сохранитьмачты на судне - это жестко фиксировать их положение с помощью сложнойсистемы вантов и оттяжек. На Востоке придерживаются мнения, что все эточепуха, не говоря уже о том, что и стоит дорого. Они устанавливают высокуюи длинную мачту саму по себе, прилаживают на ней джутовые маты огромнойплощади, бамбуковые циновки или что-нибудь вроде, что попадется под руку,- и сила их веры хранит все это сооружение. Мне больше нигде не доводилосьвидеть, чтобы сила веры так укреплялась чудом.
Теория сосудов высокого давления, рассмотренная выше, с небольшими изменениямиприменима и к таким объектам, которые не являются закрытыми контейнерами,- это "открытые" мембраны и куски ткани, подвергающиеся давлению потоковвоздуха или воды. К объектам такого рода относятся палатки, воздушные змеи,навесы, самолеты с тканевой обшивкой, парашюты, паруса, крылья ветряныхмельниц, барабанные перепонки, плавники рыб, крылья летучих мышей и птеродактилей,плавники медуз.
Для такого рода конструкций целесообразно и экономично (как мы увидимв гл. 13) использовать не жесткие панели или оболочки, а нечто вроде жесткойосновы или рамы из стержней, рангоутов или костей с натянутой на нее гибкойтканью, перепонками или мембранами. При действии на мембрану сил давления,создаваемого ветром или потоком воды, конструкция будет изгибаться, ееповерхность примет искривленную форму, которую в первом приближении можнорассматривать как часть поверхности сферы или цилиндра. Так что напряженияв мембране будут в большой степени подчиняться тем же законам, что и воболочках сосудов.
Исходя из этого, нетрудно показать, что сила натяжения мембраны, приходящаясяна единицу ее длины, есть pr, где p - давление ветра, a r - радиус кривизнымембраны[40]. Таким образом, чем сильнее искривлена мембрана, тем меньшим будет натяжение и, следовательно, тем меньшая нагрузка будетприходиться на поддерживающую ее раму.
Давление, создаваемое ветром, растет как квадрат его скорости. При сильномветре оно действительно становится очень большим и соответственно весьмавозрастает нагрузка на поддерживающую основу, или "скелет" конструкции.Если следовать традициям нашей, западной, инженерной школы, с этим поделатьничего нельзя, поскольку мы скорее умрем, чем позволим мембране, котораяможет быть парусом, частью самолета или чем-либо иным, заметно прогнутьсямежду поддерживающими ее опорами. Конечно, ткань не может оставаться принапоре ветра абсолютно плоской, но мы делаем все, чтобы она была натянутакак можно туже. О чем мы действительно заботимся, так это о том, чтобысистема, на которой крепится ткань или мембрана, была прочной, тяжелойи дорогой, мы надеемся, что это гарантирует ее от поломок, хотя зачастуюона все же ломается.
Например, в состав оснастки современных скоростных яхт обычно входятрангоуты из металлических трубок и почти не поддающиеся растяжению териленовыепаруса. Этот аэродинамический механизм делает свое дело с помощью множестваканатов и тросов, которые в свою очередь натянуты до устрашающей степенивантами, лебедками и гидравлическими домкратами, и все это направлено нато, чтобы совладать с приложенными к парусам огромными нагрузками, возникающимипод напором ветра. Вся эта конструкция - чудо не только по своей инженерной"эффективности", но и по своей стоимости. Суда такого рода вызывают у находящихсяна их борту чувство напряженности и уж никак не позволяют расслабиться.
Однако более простой и дешевый выход из положения состоит в том, чтобыпозволить парусу прогибаться между поддерживающими элементами, на которыеон натянут. Тогда при возрастании силы ветра радиус кривизны будет уменьшаться,и поэтому сила натяжения материала паруса будет, грубо говоря, оставатьсяодной и той же, как бы силен ни был ветер. При этом, естественно, нужнобыть уверенным в том, что такое поведение парусов, помогая решить конструктивныепроблемы, не породит проблем аэродинамических.
Элегантный способ добиться этого был изобретен китайцами, которые, неподвергаясь слишком большому риску, с древнейших времен плавали по морям.Оснастка традиционной китайской джонки варьируется в соответствии с обычаямитой или иной местности, но в целом весьма типичной является оснастка, показаннаяна рис. 32. Рейки, пересекающие паруса, прикреплены к мачтам, и посколькувся оснастка сделана из гибких материалов, при увеличении силы ветра парусавыгибаются между рейками, как показано на рис. 33, без большой потери аэродинамическойэффективности. Если они прогибаются недостаточно, это можно просто исправить,потравив фал. Недавно полковник Хаслер (известный по рейду в Бордо) использовалкитайский парус с весьма удовлетворительными результатами.
Рис. 32. Оснастка китайской джонки.
Рис. 33. Джонка с ослабленным фалом, вид спереди.
Несколько яхт с такой оснасткой успешно и без особого напряжения предпринялидолгие океанские путешествия. Столь популярные в настоящее время дельта-планеры,как правило, конструируются на тех же принципах, и хотя это может шокироватьприверженцев традиций, они дешевы, прочны и, кажется, достаточно надежны.
Летучие мыши и птеродактили
Сходство летучей мыши и китайской джонки не может не броситься в глаза(рис. 34). Крылья всех летучих мышей устроены одинаковым образом: перепонкаиз очень гибкой кожи натянута на основу в виде длинных тонких костей, являющихся,в сущности, пальцами. Например, плодоядные летучие мыши - это весьма большиесущества с размахом крыльев свыше метра. На их родине, в Индии, где ониявляются бичом садоводов, им ничего не стоит пролететь ночью 50-60 км,чтобы ограбить фруктовый сад. При этом оказывается, что такие перелетыотнюдь не изматывают их, а это значит, что их летательный аппарат весьмаэффективен. Очевидно, в процессе долгой эволюции у них для уменьшения весапроизошло уменьшение толщины костей, на которые натянуты их крылья.
Рис. 34. Плодоядная летучая мышь.
Если сфотографировать летучую мышь в полете, то можно проследить, какдвижутся ее крылья: когда они идут вниз, перепонки выгибаются вверх и принимают,грубо говоря, форму полусферы, чтобы минимизировать механическую нагрузку,приходящуюся на кости. Потери в аэродинамической эффективности вследствиеэтого изменения формы на практике малы или вовсе отсутствуют.
Примерно 30 млн лет назад на Земле обитало множество летающих существ,называемых птеродактилями (пальцекрылыми). Многие из них очень напоминаютлетучих мышей, за тем исключением, что у них только один "палец" - мизинецявлялся частью конструкции, составляющей крыло. Перепончатое крыло птеродактиляпохоже на бермудский грот-парус, не разделенный какими-либо рейками.
Некоторые из этих животных были очень велики. Туловище птеранодона,например, было восстановлено по ископаемым останкам и оказалось, что размахего крыльев достигал не менее 8 м (рис. 35). Он был около 3 м высотой,а его общий вес составлял, вероятно, только около 20 кг. Именно такой весмогла поднять летающая конструкция из костей и мышц. Недавно появилисьсообщения об открытии в Америке останков птеродактилей еще большего размера,с размахом крыльев вдвое больше, чем у птеранодона.
Рис. 35. Птеранодон.
Птеранодон, вероятно, искал свою добычу в море и, грубо говоря, занималв экологической системе место, которое теперь занимает альбатрос. Как иальбатрос, он проводил большую часть времени в воздухе, паря над волнами,и добывал себе рыбу, не опускаясь на воду. Кости, на которых держалиськрылья этого ископаемого, были, судя по останкам, невероятно тонкими ислабыми даже по сравнению с костями плодоядной летучей мыши. Мы, конечно,не располагаем данными об упругости оболочки, покрывавшей эти огромныекрылья, но можно предположить, что по своим свойствам она была похожа наперепонки летучих мышей. Аэродинамическая эффективность такой конструкциив целом должна была быть высокой, сравнимой с конструкцией современныхальбатросов.
Почему же птицы имеют перья?
Хотя летучие мыши уцелели в процессе эволюции и сохранились до нашихдней, место птеродактилей очень давно заняли птицы, имеющие перья. Возможно,конечно, что причины исчезновения птеродактилей не связаны с их конструкцией,но в то же время не исключено, что именно перья дали птицам преимуществаперед другими летающими существами. Когда я работал в Фарнборо, я имелобыкновение время от времени спрашивать свое начальство: не лучше былобы, если бы самолет имел перья? Однако мне редко удавалось не только получитьспокойный ответ, но и просто удостоиться того, чтобы меня терпеливо выслушали.
И все же почему птицы все-таки имеют перья? Современный инженер, еслибы ему пришлось самому сконструировать летающее существо, создал бы, вероятно,что-нибудь вроде летучей мыши или летающего насекомого. Я не думаю, чтоему пришло бы в голову изобрести птиц. Однако, по-видимому, на то, чтоони существуют, имеются веские причины. Можно предположить, что летучиемыши, как и в прошлом птеродактили, теряют значительное количество энергиив форме тепла, исходящего от их крыльев, и если бы их крылья были покрытышерстью, это обепечило бы им эффективную теплоизоляцию.
Возможно, именно это и произошло на ранних стадиях эволюции птиц, посколькуперья, подобно рогам и когтям, развились из шерсти. Однако шерсть, по-видимому,тем лучше, чем она мягче, так что кератин, из которого она состоит, имееточень малый модуль Юнга.
В перьях же молекулы кератина становятся жестче за счет образования поперечныхсвязей между молекулярными цепочками атомов серы[41]. (Характерный запах горящих перьев вызываетсяприсутствием серы.)
Перья, несомненно, дают и аэродинамические преимущества, что связанос широким разнообразием очертаний тела, которые можно придать оперенномусуществу. Так, толстое крыло с большим поперечным сечением нередко с аэродинамическойточки зрения более эффективно, чем тонкое, соответствующее перепонке. Толстоекрыло нужного профиля легко составить из слоев перьев без заметного увеличениявеса. Далее, перья лучше, чем перепонки и кости, приспособлены для созданияразличных "щелей" и "закрылков", препятствующих срыву потока воздуха.
Однако я склонен думать, что главное преимущество, которое дает оперение,- это преимущество конструкционного характера. Тот, кто запускал моделисамолетов, знает, насколько легко эти малые летательные аппараты получаютповреждения от случайных столкновений с деревьями и кустами или простоиз-за неосторжного обращения с ними. Птицы же постоянно летают среди деревьев,изгородей и других препятствий, часто используя их как укрытие от своихврагов. Для большинства видов птиц не страшна потеря даже значительногоколичества перьев. Лучше оставить кота с полной пастью перьев, чем оказатьсяу него в зубах.
Перья не только помогают птицам избежать царапин, они образуют толстыйупругий панцирь, который служит защитой и от более серьезных повреждений.Японские доспехи из перьев, которые можно видеть в музеях, - это отнюдьне живописная бутафория диких людей. Они служили надежной защитой от такогооружия, как сабля. Не случайно финны использовали для обшивки своих бронепоездовкипы бумаги, а летчиков-истребителей защищают от осколков многослойныецеллофановые прокладки. Сокол убивает в воздухе птицу отнюдь не клювомили когтями - вряд ли они смогли бы проникнуть сквозь перья, - а ударомвытянутых лап в спину, сообщая ей большое ускорение как целому, в результатечего птица ломает себе шею; нечто похожее происходит при казни через повешение.
Строение и общее устройство перьев представляются исключительно интересными.Перьям, вероятно, не требуется быть особенно прочными, но они должны бытьодновременно и жесткими, и эластичными, а кроме того, работа разрушенияпера должна быть велика. Механизм разрушения пера представляется чем-тотаинственным; во всяком случае, к моменту написания этой книги, я думаю,никто не знал, каким образом оно разрушается. Как и во многих других случаях,механизм разрушения пера чувствителен к самым незначительным изменениямв состоянии материала. Тот, кто держал охотничьих соколов, знает, что этиумные, требовательные и капризные птицы могут очень легко "терять форму".Иногда, даже если их кормят и содержат должным образом, их перья становятсяхрупкими и часто ломаются. "Лечение" в этих случаях состоит в соединениичастей сломавшегося пера путем "прививки". Ее делают, вставляя заостреннуюс двух сторон "иглу" с небольшим количеством клея в ствол пера вблизи местаразлома. Детали этой процедуры описаны в книгах о соколиной охоте XVI в.
Если принять во внимание, как часто автомашины получают вмятины и царапиныи как дорого это обходится, то можно спросить себя, не следует ли в этомвопросе поучиться у птиц. Кстати, мне говорили, что поскольку американскаяармия практически посажена на питание цыплятами, в США получают огромныеколичества пера. Было бы неплохо найти для него применение.