в вакууме.
БИПЛАН
Медленным самолетам нужна относительно большая площадь крыла, чтобы поддерживать заданный вес.
Сегодня бипланы встречаются гораздо реже, чем когда-то, а очень быстрых бипланов не бывает.
В этой главе мы хотим ответить на вопрос, что делать животному, если оно по каким-то причинам вынуждено быть большим, но все равно летать? Оно должно это компенсировать, непропорционально увеличив площадь поверхности своего тела, то есть отрастить себе какие-то выступающие части, например перья (если это птица) или складки тонкой кожи (если это летучая мышь или птеродактиль). Из какого бы количества материала ни состояло твое тело (твой
объем или вес), ты сделаешь важный шаг в сторону полета, если распределишь часть этого объема по большой поверхности. Или по крайней мере в сторону мягкого, как на парашюте, спуска или парения на ветру. Вот почему наша вымышленная версия архангела Леонардо нуждается в таких огромных крыльях. Инженеры выражают это особым термином – “нагрузка на крыло”. Это вес, поделенный на площадь крыла, чем больше нагрузка на крыло, тем труднее оставаться в воздухе.
Чем быстрее летит самолет (или птица), тем больше подъемной силы можно выжать из каждого квадратного сантиметра крыла. Более быстрые самолеты того же веса могут иметь крылья меньшей площади и все равно лететь. Это объясняет, почему у медленных самолетов площадь крыла относительно больше, чем у быстрых. До того, как удалось достичь современных высоких скоростей, первые самолеты были по большей части бипланами. Благодаря такой конструкции получаешь удвоенную подъемную силу, однако и аэродинамическое сопротивление тоже растет. По той же причине иногда строили даже трипланы.
Кстати, если отвлечься ненадолго от темы полета, следует заметить, что отношения между площадью поверхности и объемом очень важны для живых существ в целом. Подобно тому как крылья увеличивают площадь внешней поверхности, а это важно для полета, есть много органов, которые увеличивают площадь внутренней поверхности, чтобы соответствовать увеличению размеров тела. Например, легкие.
Объем или вес животного – хороший показатель количества его клеток. У крупных животных клетки не крупнее обычного, их просто больше. Каждая из этих клеток – и у мыши, и у слона – должна получать кислород и другие жизненно необходимые вещества. У блохи клеток меньше, чем у слона, и все они недалеко от воздуха, кислороду легко попасть в клетки. У взрослого человека около 30 триллионов клеток, и лишь крошечная их доля – клетки кожи, контактирующие с воздухом. Хотя поверхность кожи человека гораздо больше, чем у блохи, на нашей внешней поверхности расположена меньшая доля клеток, мы возмещаем этот недостаток, отращивая себе большую внутреннюю поверхность, которая соприкасается с воздухом. На этом принципе построены легкие, внутри которых сложная система разветвляющихся трубок и трубочек, заканчивающихся крошечными камерами – альвеолами. У вас примерно 500 миллионов альвеол, и, если их расправить, они покроют почти целый теннисный корт. Вся эта поверхность внутри вас соприкасается с воздухом и насыщена кровеносными сосудами. Даже насекомые, которые гораздо меньше, увеличивают площадь поверхности, соприкасающуюся с воздухом, при помощи системы внутренних разветвляющихся воздуховодов – трахей. Все тело насекомого – одно большое легкое.
Кровеносные сосуды в легких ветвятся бесконечно, обеспечивая огромную площадь внутренней поверхности, необходимую, чтобы забирать кислород из легких и распределять его по всем клеткам тела, например, мышечным, где кислород нужен для медленного сгорания, на котором работают мышцы. Кровеносные капилляры обеспечивают гигантскую внутреннюю поверхность для сбора и распределения питательных веществ и снабжают клетки всем необходимым. Обычной клетке нужно находиться примерно на расстоянии 0,05 мм от ближайшего капилляра, то есть в пределах двух-трех диаметров клетки. Капилляры собирают питательные вещества из кишечника, который сам по себе тоже обеспечивает большую внутреннюю площадь поверхности – тоже почти с теннисный корт. Представьте себе, какой огромной длины кишечник свернут внутри вас, и сравните его длину с кишечником дождевого червя – просто трубкой, которая тянется от одного конца червя до другого. Ваши почки снабжены бесчисленными тоненькими трубочками, суммарная площадь поверхности которых опять же огромна, и в этих трубочках кровь фильтруется и очищается от отходов. Если вытянуть в длину все ваши кровеносные сосуды, большинство которых – крошечные капилляры, их можно обмотать вокруг экватора три с лишним раза. Это дает колоссальную площадь поверхности соприкосновения клеток с кровью. Многие большие органы в вашем организме – не только легкие и кишечник, но и печень, почки и так далее – всеми силами стараются повысить рабочую площадь доступа крови к клеткам. В сущности, все изгибы и закоулки кораллового рифа, складки и трещинки древесной коры и бесчисленное множество листьев в лесу – способ несоизмеримо увеличить площадь поверхности, которая необходима живой материи, чтобы жить.
Из этого отступления можно сделать вывод, что название главы – “Если нужно быть большим и все равно летать, увеличь поверхность тела” – применимо не только к полету, но и к дыханию, кровообращению, пищеварению, выведению отходов и вообще ко всему, что происходит внутри животного, а не только к тому, что мы видим снаружи. Но вернемся к полету.
Как мы уже выяснили, чем больше площадь поверхности животного по сравнению с его весом, тем медленнее оно падает в воздухе и тем легче ему обеспечить себе подъемную силу, необходимую для полета. Очевидно, что крылья дают много дополнительной поверхности, для чего бы ни служили – для взмахов или парения. У летучих мышей и птеродактилей это тонкие полотнища кожи. Тонким полотнищам нужен каркас – из костей или чего-то равноценного. Эволюция склонна к оппортунизму и обычно модифицирует что-то уже существующее, а не отращивает нечто совершенно новое. В теории можно себе представить крылья, растущие из спины, как на изображениях ангелов, но для этого пришлось бы отрастить новые кости для их каркаса. Может быть, в нашем распоряжении уже есть какие-то кости, которые можно использовать как каркас для летательных поверхностей? Как мы еще увидим, существуют ящерицы, которые парят на кожаных перепонках, натянутых по бокам, и эти перепонки заимствуют для поддержки ребра. Но более профессиональные летуны – летучие мыши, птицы и птерозавры – пользуются передними конечностями, которые уже снабжены подходящими костями и мышцами, дающими простор для модификаций.
У летучих мышей и птерозавров летательная кожа натянута между передней и задней конечностями одной стороны. У птерозавров большинство костей передней конечности остались довольно короткими, но они отрастили один непомерно длинный палец – четвертый (безымянный). Слово “птеродактиль” буквально означает “крыло-палец”. Этот гипертрофированный палец обеспечивает каркас почти
