Дельфины и тунцы
Были предприняты интересные исследования принципов плавания и плавательных движений рыб. Общеизвестно, что подводные обитатели могут передвигаться и плыть более эффективно и экономично, чем гребной винт может двигать судно. Хотите легко доказать это самим себе? Вы когда- нибудь постукивали по стеклу аквариума, в котором плавают рыбы? Внезапный шум заставляет рыб метаться по аквариуму настолько быстро, что ваши глаза не способны уследить за их перемещениями. Представьте, что вы можете создать корабль, способный перемещаться с подобной быстротой и внезапностью. Поэтому неудивительно, что правительство США финансирует некоторые из этих исследований.
Насколько эффективнее плывет рыба по сравнению с нашими современными способами передвижения по воде? Давайте проведем краткий анализ. В 1936 году британский зоолог Джеймс Грей исследовал дельфинов. Его целью было подсчитать мощность, развиваемую дельфином, чтобы перемещаться со скоростью 20 узлов – скоростью, которую обычно наблюдают у дельфинов. Модель Грея была очень жесткой в предположении, что сопротивление воды для движущегося дельфина остается одинаковым для жесткой и гибкой моделей. Это оказалось неверным, но даже с учетом необходимой поправки, результаты Грея оказались очень любопытными. Оказалось, что его дельфин оказался в 7 раз слабее, чем это необходимо для достижения скорости в 20 узлов. Используя дедукцию, можно предположить, что дельфин каким-то образом способен в 7 раз уменьшить сопротивление воды. Но до настоящего времени точного ответа нет.
За последние 60 лет никто не смог окончательно подтвердить или опровергнуть вычисления Грея. Любой плавающий механизм, имитирующий движения рыбы, оказывается значительно менее эффективным. В последнее время предпринимаются новые исследования для изучения способа плавания рыб. С использованием новых компьютерных технологий ученые надеются получить ответ на этот давно волнующий вопрос.
В последние несколько лет ученые Массачусетского технологического института исследовали голубого тунца. Они создали модель робота-рыбы длиной 120 см, которая плавает в специальном бассейне для проверки ходовых качеств судов. Робот-рыба похож на настоящую рыбу. Шкура рыбы сделана из специальной пены и покрыта лайкрой. В роботе использованы шесть внешних двигателей, соединенных со шкивами и «сухожилиями» внутри робота. Движение рыбы напоминает плавание настоящего голубого тунца.
Плавание с помощью крыла
Хвост рыбы можно рассматривать как подводное крыло. При движении хвоста из стороны в сторону он отбрасывает поток воды назад и соответственно движет рыбу вперед. Во время движения хвоста в воде за ним образуются вихри. Есть основания полагать, что принцип образования этих вихрей может быть ключом к пониманию эффективности передвижения рыбы.
Дельфины интересны тем, что их хвост – подводное крыло расположен горизонтально. Он не перемещается из стороны в сторону как у рыбы, а совершает движения вверх-вниз. Такие движения в той же степени эффективно толкают тело дельфина вперед.
Пингвины плывут с помощью толчков их крыльев. Вид пингвина, плывущего в воде, сильно напоминает полет птицы. Однако существует разница. При полете птица взмахами крыльев должна поддерживать тело в воздухе, а также обеспечивать движение вперед. Создание подъемной силы необходимо для преодоления силы притяжения. Для пингвинов подъемная сила не нужна. Плотность воды равна плотности тела пингвина (нулевая плавучесть), поэтому пингвин машет крыльями только для продвижения вперед.
Лопасти и весла
Рассматривая способы передвижения в воде, мы должны включить сюда использование лопастей и весел. При движении по воде утки используют перепончатые лапы в качестве лопастей. Водомерки используют ножки в качестве весел и двигаются вперед, как маленькие лодки.
Что мы знаем?
Исследования в МТИ привели исследователей к идее использования жидкостного динамического параметра, известного как индекс Строхала. Для рыбы этот параметр вычисляется умножением частоты взмахов хвоста рыбы на ширину образующегося вихря, деленную на скорость рыбы. Были исследованы рыбы разных пород. Оказалось, что КПД у рыбы максимален, когда индекс Строхала лежит в пределах 0,25-0,35.
Когда плавники робота-рыбы, созданной в МТИ были переделаны и настроены так, что индекс Строхала попал в этот диапазон, КПД устройства возрос более чем до 86 %. Это большое достижение по сравнению с гребными винтами, обеспечивающими КПД не более 40 %.
Приступаем к проекту
B этой главе рассмотрены два основных проекта подводных роботов. Один из них предусматривает переделку игрушечной подводной лодки, а другой – изготовление робота-рыбы из подручных материалов.
Подводная лодка
Модели игрушечных подводных лодок производятся и продаются многими компаниями. Их возможности зависят от степени сложности модели, но обычно они управляются по радио и способны погружаться и всплывать (см. рис. 13.2).
Рис. 13.2. Игрушечная подводная лодка готова к переделке в TROV
При переделке игрушечной подводной лодки я советую отказаться от радиоуправления и перейти к управлению по проводам с использованием соответствующего кабеля. По специальному кабелю можно подвести к подводной лодке питание и управляющие сигналы.
Такие подводные лодки для «хобби» могут быть превращены в небольшие системы телеслежения. Первоначальной переделкой может быть установка цветной видеокамеры. Большинство из подобных лодок имеют пустые отсеки, куда можно установить электронную схему (см. рис. 13.3).
Рис. 13.3. Открытый отсек для размещения электронных компонентов
В подводную лодку можно установить большинство блоков, использованных в автомобиле с дистанционным управлением (см. гл. 9). Единственным отличием является управление по проводам вместо радиоканала.
Подводная лодка является игрушкой, поэтому лучше не запускать ее в открытые водоемы. Крошечные водяные движители в таких лодках могут работать только в спокойной воде. Конечно, создание такой лодки может служить началом для более совершенных конструкций.
Существуют ли какие-либо другие способы использования подобных лодок, кроме использования их в качестве подводных «наблюдателей»? Я могу вообразить себе 10 или более подводных лодок в одном бассейне, причем, каждой управляет отдельный оператор. Я уверен, что на этой базе можно создать множество подводных или «космических» сценариев интересных игр.
Плавание с помощью хвоста
Как уже утверждалось ранее, устройства, имитирующие движения рыб, имеют очень низкий КПД. Эта модель не является исключением. Однако тщательный сбор информации источников типа МТИ может способствовать созданию модели (здесь этого не сделано) с гораздо большим КПД. И если кто-то хочет изготовлять роботов-андроидов, имеющих форму животного, то можно начать именно с этого проекта.
Движение робота-рыбы обеспечивается с помощью кольцевого соленоида (см. рис. 13.4). При включении питания верхняя часть соленоида поворачивается на угол примерно 30°. При отключении питания пружина возвращает механизм в исходное положение.
Рис. 13.4. Открытый отсек для размещения электронных компонентов
В верхней части соленоида находятся, по крайней мере, два резьбовых отверстия 1,6 мм, которые могут быть использованы для крепления деталей. В нижней части соленоида имеются две стойки с резьбой 1,6 мм для крепления соленоида. Соленоид оказался не таким мощным, как мне бы хотелось, но его все же достаточно для обеспечения подводного продвижения.
Для генерации медленной последовательности импульсов в схеме использован однопереходный транзистор Q1 (UJT2646)
