Заплыв в песке

Передвижение по песку – серьезная проблема не только для любителей пляжных видов спорта, марсоходов и прочих роботов, но и для обитающих в пустыне животных. Например, насекомые остаются на поверхности благодаря тому, что не толкаются, а каждый раз переносят вес тела с одной тройки ног на другую, пустынные ящерицы также «переваливаются» из стороны в сторону. Подобным уловкам даже удалось научить специального робота, максимум скорости которого при движении по песку составляет 30 см/с.

Сцинк, больше известный как «песчаная рыба», пошел другим путём: эта 20-сантиметровая ящерка заныривает в песок за доли секунды и продолжает движение в грунте с ничуть не меньшей скоростью. Дэниэл Голдман, один из авторов упомянутого робота-пескохода, из Технологического института Джорджии и его коллеги показали, что

в песке сцинк полностью перестает пользоваться лапами и продолжает движение в стиле змеи.

Сцинки, ставшие в последнее время популярными домашними животными в США и Великобритании, в природе обитают в пустыне Сахара. Там они и приобрели характерный клиноподобный нос и немного утопленную нижнюю челюсть, позволяющую моментально исчезать в минеральном грунте при появлении опасности.

Авторы публикации в Science не ограничились анатомическими изысканиями: с помощью сверхбыстрого рентгеновского аппарата они записали движение ящерицы в песке из стеклянных шариков. Чтобы воспроизвести реальные условия – грунт в разных регионах пустыни различается, Голдман проделал в дне емкости несколько отверстий, через которые можно подавать воздух под давлением и тем самым контролировать так называемый фактор заполнения – долю объёма, занятого самим песком (остальное – воздух). Фактор заполнения учёные варьировали в интервале, характерном для пустыни, — от 58% до 62%.

«Поскольку через рыхлый грунт передвигаться легче, чем через плотный, мы думали, что тактика движения сцинка будет существенно отличаться… но результат оказался противоположным: вне зависимости от степени заполнения это был один и тот же извивающийся стиль», — поделился своими впечатлениями Голдман. Никакого влияния на скорость не оказало и изменение размера гранул.

К слову, скорость робота-пескохода даже при небольшом разрыхлении грунта (с 0,62 до 0,61) падает в десятки раз.

Темпы передвижения ящерицы зависели исключительно от частоты пускаемой ей волны. Впрочем, максимальных показателей удалось добиться при более плотном песке, видимо, облегчившем сцинку процесс отталкивания. Если верить данным, полученным при анализе движения змей, то именно благодаря различиям коэффициента трения на разных участках тела и синусоиде и происходит движение вперед.

Облегчается оно тем, что сопротивление кожи сцинка, плывущего в песке, меньше, чем у полированной стали или стекла.

Впрочем, в расчетной модели под названием «упирайся-тащи» Голдман и его коллеги все равно представили ящерку в виде нескольких соединенных между собой стальных цилиндров. Оказалось, что скорость передвижения сцинка зависит исключительно от скорости, с которой он пускает волну, а её теоретический максимум совпал с экспериментальным – 15 см/с.

Благодаря этому умению использовать жидкостные свойства сыпучих веществ «песчаная рыба» скрывается от врагов, охотится на насекомых и даже спасается от перегрева днем или переохлаждения ночью, зарываясь в глубокие слои песка.

Не исключено, что в скором времени Голдман отметится новым роботом, плавающим в минеральном грунте. А вот понырять, как Скрудж Макдак, у него вряд ли получится: чтобы песок напоминал жидкость, размеры его частиц не должны превышать 2 мм.