Ходить бы по воде, аки посуху!

Ходить бы по воде, аки посуху!

По воде пытались ходить многие. И, не считая одного исключительного случая в Галилее (около двух тысячелетий назад), ни у кого это не получилось. Всякие фокусы, построенные на обмане зрения, мы тут учитывать не будем. А вот чтобы и в самом деле.. Ну, как Иисус Христос… Нет, это нам слабо!

17 августа 2003г нечто в этом роде продемонстрировал, правда, один англичанин – 37-летний владелец магазина Крис Джоунс. Но и он признаёт, что действу явно не хватало элегантности: дядька в бейсбольной кепке стоял на двух камерах от автомобильных шин, втиснув свои старые кроссовки в углубления на синеватых панелях из ПВХ. Вроде бы всё было продумано, но даже и в таком варианте это был тяжкий труд: «Я совершенно выдохся», - признался мистер Джоунс, продержавшись на воде 12 минут и продвинувшись всего лишь на 70 метров. Но – добрался-таки до финишной черты! Самое важное, однако, было в том, что задуманное им плавсредство под названием «Синие пальчики» всё-таки держало его на плаву и двигалось! Чего не скажешь о большинстве конкурентов.

Тим Берри, к примеру, уже через пять секунд рухнул и погрузился в неспокойную воду озера. Дэйв Хенсон, другой участник, создавший для своих ног т.н. «Пару гробов», сначала продвигался более или менее спокойно, но потом ноги его разъехались на шпагат, и он тоже рухнул. Чуть подольше продержалась Джанет Саммер, хотя, согласно задумке, должна была «летать» на своей «Пористой форели» и по воде, и под водой: она тоже вдруг вскрикнула и нырнула носом в воду. Ян Александер и его «Могущественный плавник» оказались на редкость плавучими – благодаря конструкции из полистирола и лёгкого дерева. Однако и у «Плавника» вскоре обнаружился роковой недостаток: руль отвалился, появился опасный крен и, конечно, в итоге мистер Александер тоже искупался.

Единственные соперники, державшиеся на воде, были профессионалами из британского Открытого университета. Они сделали свои «плавучие подпорки» со знанием дела. Однако одного из них – Хамстера Уила – дисквалифицировали сразу, поскольку по условиям соревнований, устроенных Би-Би-Си в Виндермере (графство Камбрия) ради телесериала «Science Shack», человек должен был двигаться на двух «ногах», не соединённых вместе, – иначе какое ж тут «хождение по воде»! Та же участь постигла и исследователя из «Science Shack» Алама Шаха, хотя тот и успел проскочить до финиша на своём «Бегущем кольце», - его тоже дисквалифицировали.

«Science Shack», кстати, в переводе означает «Научная хижина», или «Научная лачуга», но, может, романтичнее звучит хотя бы уж «Научная келья»? Представитель «Кельи» был вполне доволен, что призёром стал мистер Джоунс на своих «Синих пальчиках». И дело тут не в том, что победитель выиграл бутылку французского белого вина – подумаешь, приз! А в том, что мистер Джоунс использовал простую технологию и довольно остроумную систему клапанов, позволяющую этому смешному приспособлению продвигаться вперёд. «Я считаю, что мы научно доказали: по воде ходить можно! - сказал Адам Харт-Дэвис, представитель «Science Shack». – Для этого, что характерно, требуются не столько высокие технологии, сколько твёрдость характера и решимость».

Решимость решимостью, а до ходьбы по воде тут, согласитесь, далеко. А между тем (если оставить в покое Иисуса Христа) в природе есть немало живых существ, которые делают это без труда. Если бы насекомые умели смеяться, некоторые из них уж точно ухохатывались бы, глядя на состязания этих неуклюжих Homo sapiens. Смеялась бы, к примеру, та же водомерка, проявляющая на воде чудеса ловкости, проворства и сноровки. Водомерки – это такие жучки. Выводятся в воде, но живут на поверхности. И они отлично ходят, прыгают и бегают по воде, причём не тонут и даже не ныряют!

Вообще-то есть сотни разных видов этих прытких насекомых, называют их тоже по–разному (например, - водорез, ножеклюв, конькобежец, Иисусов жучок и т.д.). И размеры у них бывают разные – от одного сантиметра до гигантской вьетнамской разновидности – 20см. И все умеют бегать по воде. Но по мере увеличения размера тела должны пропорционально удлиняться и конечности. Эти самые конечности у водомерки покрыты тысячами крошечных волосинок, или ворсинок, которые практически не намокают, и это тоже очень важно, чтобы удерживаться наплаву: ведь если бы лапы намокли, они тянули бы вниз, да и вытащить их из воды было бы трудновато. У водомерки таких проблем нет. Самки примерно в полтора раза крупнее самцов, но даже и вдвоём (в интимный момент) они не проваливаются под воду!

И что интересно: у этих скороходов есть как бы два вида походки. Скольжение запросто переносит их вперёд на длину корпуса, а прыжок толкает в воздух и – вверх вперёд. Резвясь на поверхности, они могут совершать прыжки в четыре длины своего корпуса, а то и в пять. Вес насекомого уравновешивается поверхностным натяжением воды, сила которого в десять раз превышает массу тела водомерки (при длине 1см масса водомерки обычно составляет порядка 10 дин).

Между собой эти насекомые сообщаются за счёт капиллярных волн, которые создают, шлёпая средними лапками по поверхности. Вибрации воды, точнее, – частота этих вибраций – позволяет определить, кто приближается, – самка или самец. Точно так же узнают и о приближении добычи. Для большинства насекомых вода – это как клей: попробуй оторваться и выбраться! Пока несчастная жертва будет барахтаться, создаваемые ею колебания воды тут же уловят другие – какие-нибудь рыбы или те же водомерки. Если насекомое упало, скажем, с дерева, водомерки тотчас устремятся в ту сторону – в надежде полакомиться. И уж не сомневайтесь: эти маленькие хищники высосут из жертвы все соки! А вот на суше водомерки чувствуют себя неуютно, они довольно неуклюжи. Если чувствуют опасность, спасаются бегством – за счёт прыжков. А когда насекомое приводнится и побежит-поскачет, у него в кильватере возле каждой лапки будет образовываться след. Но об этом – чуть позже.

Типичная водомерка примерно 1см длиной перемещается со скоростью 150см в секунду. Такая скорость, конечно же, просто завораживает. Это как если бы человек ростом 1,8м плыл со скоростью 644км в час, то есть быстрее многих реактивных самолётов! Известно, что эти надводные обитатели водоёмов иной раз бесстрашно отправляются в долгое путешествие и покрывают гигантские расстояния в сотни километров по поверхности тропических морей. Их лапки вполне для этого приспособлены. У водомерки три пары конечностей. Ведущими, т.е. гребущими, являются средние – ими она пользуется, как парой вёсел. Задние конечности служат рулём и тормозом. А передними водомерка хватает добычу. Вот такой расклад.

Но всё-таки: за счёт чего это насекомое не тонет? Не только ведь благодаря ворсистым лапкам? Ясно же, что любой объект, движущийся в неком направлении, должен воздействовать на поверхность, по которой идёт, бежит, ползёт и т.д. Если это водная поверхность, лапы (ноги) и прочие части тела должны погружаться в воду. На какую глубину? В зависимости от массы движущегося существа и скорости его движения. При этом, по меньшей мере, возникают волны. Всё это понятно, но не относится к водомерке. Точнее, относится, но в малой степени. Это живое существо, похоже, умудряется попирать некоторые законы физики. И ладно бы этим отличались только крошечные, почти невесомые водомерки. Но нет. Взрослые особи тоже движутся по поверхности воды, как если бы это была твердь, суша. И – никогда не погружаются в воду! Если бы водомерка оказалась под водой, ей пришлось бы применить силу, в сто раз превышающую массу собственного тела, чтобы вынырнуть на поверхность. Проще говоря, она бы утонула. Но такой опасности, по сути, нет. И эта загадка давно интриговала учёных.

Есть и ещё одна загадка.

Долгое время учёные считали, что водомерка движется благодаря создаваемым ею волнам. Поверхностные волны посылают импульсы в направлении, противоположном движению. Что и происходит. Затем, по 3-му закону Ньютона (о том, что на каждое действие есть равное ему противодействие) сила противодействия этих волн толкает насекомое вперёд. Однако для создания таких волн лапка насекомого должна двигаться со скоростью, превышающей 25см в секунду – это минимальная скорость поверхностной волны. Превышение этой скорости – вовсе не проблема для такого насекомого, как водомерка с её длинными ногами. Но если бы так оно и было, то малыши-водомерки, у которых лапки намного короче и слабее, не могли бы угнаться за родителями. То есть они вообще не должны бы бегать по воде! Однако никаких проблем у малышей нет. Вот эта «нестыковка», это несоответствие между теорией и практикой стало известно с 1993 года как «парадокс Денни». Биолог из Стэнфордского университета Марк В. Денни указывал тогда, что – теоретически – крошечные водомерки не могут ходить по воде, поскольку их лапки ещё не достаточно быстры, чтобы создавать волну. Фактически же и новорожденные перемещаются по поверхности воды столь же успешно, как и взрослые особи. Малыши водомерки могут быть даже и 1мм длиной, но отлично передвигаются.

Теперь исследователи из MIT – Массачусетского технологического института – решили, наконец, «парадокс Денни». На обложке августовского (2003г) выпуска журнала Nature изображена водомерка Gerris remigis, которую привлёк свет – она устремилась к нему, подобно Икарусу. Но, поскольку воду окрашивали синим тимолом, а снизу подсвечивали, удалось понять, какие следы оставляет на воде насекомое. Чётко видно, как в фазе замедления движения («торможения») перед очередным гребком в воде возникают крошечные завихрения. Эти мини-водовороты – закрутки потока – дают водомерке возможность перемещаться по поверхности без всяких усилий, будь то тихий пруд или беспокойный океан. Учёные доказали, таким образом, что водомерки любого размера пользуются своими конечностями, словно вёслами, - гребут и передают импульс воде главным образом через дипольные завихрения, создаваемые их лапками. Для проверки этой гипотезы нужно было создать некое подобие водомерки – механизм, который бы работал на тех же принципах гидродинамики. Исследователи решили сделать искусственное насекомое, способное имитировать движения водомерки.

По-английски водомерка называется «уотер страйдер», дословно – «шагающая по воде». Созданного в MIT робота назвали – по аналогии – «робострайдер». Задача состояла в том, чтобы самодвижущееся устройство было достаточно лёгким, – настолько, чтобы его вес могла удерживать сила поверхностного натяжения воды. Однако вес прибора тем больше, чем механизм сложнее. А потому нужно было сделать что-то до предела простое. Итак, робострайдер в своём «развитии» прошёл как бы три фазы.

Версия 1

Первый механизм представлял собой простенькое проволочное подобие водомерки. Он должен был всего лишь продемонстрировать, что металлический объект тяжелее воды может удерживаться на ней силой её поверхностного натяжения. Если робострайдер-1 не мог бы держаться на поверхности, вопрос о действующей модели сразу бы отпал.

Версия 2

Робострайдер-2 был уже близок к искомому варианту. Он приводился в движение простеньким пускателем – тонкую эластичную ленту намотали на шкив, соединённый с гребущими средними «конечностями». Для упрощения опыта робострайдер-2 передвигался не на тоненьких ножках, а на поплавках из пенопласта.

Версия 3

Окончательный вариант робострайдера похож на живое насекомое, но, конечно, существенно превосходит типичную водомерку по размеру и уступает ей по сноровке. Это механизм длиной 9см, он имеет пару средних движимых «конечностей» плюс две пары поддерживающих – как это бывает и у настоящих водомерок. Сама конструкция – алюминиевая, «конечности» – из нержавеющей стали. За пять «шагов» такой механизм проходил путь в 20-30см.

Искусственная водомерка, которую создали исследователи из MIT, перемещается, конечно, не столь быстро, изящно и грациозно, как настоящая. Однако гидродинамика, лежащая в основе движения этих насекомых, была прежде не совсем понятна, как говорит профессор математики из MIT Джон У.М. Буш, автор этого исследования. Теперь же, используя математические расчёты, высокоскоростную видео-съёмку, массу других методов изучения водного потока, Буш и два аспиранта – математик Дэвид Л. Хью и инженер-механик Брайан Чан – окончательно установили, каким же образом движется по поверхности водомерка.

Когда насекомое касается воды, кончики его тоненьких лапок создают микроскопические ложбинки – углубления на поверхности. Центральными (средними) лапками водомерка гребёт, делая в среднем по два гребка в секунду и передавая импульс вниз, под воду, где возникают дипольные завихрения. А мениски, появляющиеся позади ведущей пары конечностей, используются как гребные лопасти весла. Они-то и толкают насекомое вперёд, ибо поверхность ложбинок действует как трамплин. И хотя гребное движение лапок создаёт крошечные волны, они не играют существенной роли, как считают учёные. Главное тут в этих микроскопических водоворотах. «Передача импульса осуществляется в основном в форме подповерхностных завихрений», - сказал профессор Буш в своём сообщении журналу Nature.

Проектируя искусственную водомерку, Чан, не особо мудрствуя, взял пустую жестяную банку из-под прохладительного напитка «7-Up», кусок стальной проволоки, эластичный бинт, которым он примотал ведущий шкив к паре искусственных «ног». Вот и всё.

В этих экспериментах механическая водомерка перемещалась с каждым гребком лишь на половину длины своего корпуса. Однако принцип движения сохранялся тот же, что и у живого насекомого. Кстати, Хью пишет на эту тему свою докторскую диссертацию, и он намерен подобным же образом изучить несколько других живых существ, перемещающихся по поверхности воды. Это, например, жучки под общим названием Microvelia, болотные насекомые типа Mesovelia, улитка Physidae, живущая на прудах. Пресноводный паук Dolomedes тоже шныряет по поверхности воды, оставляя завихрения позади каждой из своих четырёх лап. Или, например, василиск Basiliscus vittatus, способный бегать по воде, почти к ней не прикасаясь, – не случайно же его называют «Иисусовой ящерицей». Принцип движения у каждого насекомого или животного разный, но с инженерной точки зрения интересны все. Кто-то движется наподобие наших судов на воздушной подушке, кто-то отталкивается от крошечных неровностей водной поверхности, а то и пользуется совсем особой формой взаимодействия воды, воздуха и твёрдой поверхности, что позволяет двигаться и по воде, и посуху.

Физика, гидродинамика таких явлений пока ещё мало изучена. Не только насекомые, но и птицы, рыбы иной раз ставят перед нами загадки. То есть у нас, конечно, есть свои гипотезы, но, как и в случае с водомеркой, они могут оказаться не совсем точными. А водомерка – это и не рыба, и не птица, она не плавает, но и не летает, а ведь как быстро перемещается! «Именно так работают гребные лодки, - говорит профессор Буш. – Весло идёт в воду и отталкивает жидкость назад. Водомерки делают то же самое, с той лишь разницей, что они не погружают свои «вёсла» под воду. Но ямки, создаваемые ими на поверхности воды, действуют, словно лопасть весла».

Но, спрашивается, какой нам прок от всех этих знаний? Не надумал ли и человек «гулять по воде»?

Д-р Буш считает, что у человека слишком высокий рост, чтобы пользоваться тем же механизмом передвижения, - нам пришлось бы отрастить слишком большие ступни и слишком длинные ноги. И, конечно, профессор прав. Но ведь это ещё не значит, что где-то на водоёмах нам однажды не понадобятся быстродвижущиеся механизмы наподобие робострайдера! Да и вообще: знать природу (и подсмотреть у неё кое-какие секреты) – одна из задач, которую до конца не решить никогда. И это здорово, что уже придумано первое в мире механическое устройство, способное двигаться поверх воды. По счастью, энтузиасты это понимают. Их немало и у нас в России. И они наверняка уже видят, как можно применить полученные теперь данные.

Кстати, для любознательных: у Дэвида Л. Хью есть свой сайт в Интернете - http://www-math.mit.edu/~dhu/Striderweb/striderweb.html С институтом MIT можно связаться по электронной почте через Дебору Халбер - dhalber@mit.edu или, уж если очень не терпится, позвонить по телефону 617-258-9276.

Возвращаясь (всё же!) к Иисусу Христу, надо бы упомянуть, что учёные и в самом деле пытаются решить эту многовековую загадку. Ведь не бывает же дыма без огня! Значит, и в самом деле кто-то такое видел. Помните, в Библии описано, как Иисус стоял на берегу, а лодка с учениками «была уже на средине моря, и её било волнами», а потом вдруг «пошёл к ним Иисус, идя по морю. И ученики, увидев Его идущего по морю, встревожились и говорили: это призрак; и от страха вскричали» (Мф 14:24-26).

Но как, за счёт чего Иисус ходил по воде, если и в самом деле ходил?

На этот счёт есть разные предположения. Но интересно, что (как о том рассказывалось в нашем документальном фильме «Живая вода») в лаборатории российского профессора Павла Госькова удалось получить небольшой столбик по-настоящему очищенной воды (обычно вода содержит массу всяких примесей, и в чистом виде в природе не встречается). Так вот. Диаметр этого лабораторного столбика чистой воды был всего лишь 2,5см, а вот сцепление молекул в ней оказалось настолько мощным, что для разрыва столбика потребовалось приложить силу в 900кг! По озеру или морю такой воды можно было бы не только ходить, а, как говорится в фильме, даже и кататься на коньках! Если при этом учесть, что (и это уже доказано!!!) вода меняет свою структуру и очищается под воздействием, скажем, доброго слова, хорошей музыки, молитвы и вообще проявлений высокой духовности, то кто его знает, что мог проделывать с водой Иисус! Может, под его воздействием вода очищалась, успокаивалась и становилась подобна той, полученной в лаборатории? По такой воде Он мог и ходить. Так что тут вряд ли стоит проводить какое-то сопоставление с водомеркой. Кесарю – кесарево, а Богу – Богово! И, похоже, мы ещё слишком мало знаем, чтобы не верить в чудеса…

Марк Соколов

На грани невозможного 22(327),2003