Беседы о бионике - страница 8
Одним из интересных и перспективных направлений современной бионики является разработка шагающих вездеходов. Над их созданием сейчас работают инженеры ряда стран, хотя идея построения таких систем сама по себе не нова.
Рис. 3. 'Стопоходящая машина' П. Л. Чебышева
В конце прошлого века гениальный русский ученый П. Л. Чебышев построил "переступающую машину".
Модель оригинального механизма состоит из четырех, похожих на греческую букву "ламбда", ног. Механические ноги (только они и показаны на рис. 3) соединены так, что их кривошипы образуют обыкновенный параллелограмм, в углах которого находятся шарниры. Каждая нога "стопоходящей машины" — так назвал свое изобретение автор — представляла собой копию ноги кузнечика. Стоило рукой переместить корпус "стопохода" вперед или назад, как машина приходила в движение. Четыре ноги "стопохода" перемещались попарно: вторая с четвертой и первая с третьей. Внешне похожий на плоского кузнечика, "стопоход" шагал...
Однако "стопоходящая машина" не получила практического применения при жизни ее создателя. Не был реализован также патент на шагающий механизм, полученный незадолго до Октябрьской революций двумя талантливыми русскими изобретателями П. Орловским и Н. Гусевым.
Почему же теперь, спустя несколько десятилетий, инженеры вновь вернулись к изобретению П. Л. Чебышева, к патенту П. Орловского и Н. Гусева? Все дело в том, что практика требует создания все новых и новых конструкций вездеходов для работы в труднопроходимых местностях, в горах, песках, снегах, на болотах. Так уже бывало не раз, когда ученые, сталкиваясь с новыми сложными проблемами, возвращались к давно забытым идеям и изобретениям.
Американцы, например, стремятся использовать принципы ходьбы в машинах, предназначенных для военных целей. Над решением этой задачи по контракту, заключенному с Техническим управлением бронетанковых войск США, в настоящее время работает большая группа специалистов. Первый опытный образец бесколесной шагающей машины был создан учеными Мичиганского университета шесть лет назад. У него 8 ног, по 4 с каждой стороны. Ноги машины смонтированы на соединяющем брусе, который Чебышев называл корпусом. Концы ног соединены с лыжами. В сущности, это кривошипно-шатунный механизм, очень похожий на "стопоходящую машину". Разница заключается лишь в том, что великий русский механик и математик при создании своего "стопохода" был более дальновидным и предусмотрительным, нежели американские разработчики шагающей машины. При испытаниях опытный образец американской машины трясло и раскачивало, как корабль в сильный шторм. Причиной этого были возникшие в машине крутящие моменты и инерционные силы, которые конструкторам не удалось сбалансировать.
По-иному подошел к созданию шагающей машины инженер Юлиус Макерле. Он решил "научить" автомобиль ходить подобно тому, как это делает человек. На первый взгляд такая идея может показаться несостоятельной, ибо уже давно известно, что шагающая машина, точно повторяющая шагающий механизм человека, экономически невыгодна при больших скоростях передвижения. Совершая шаг, нога делает движение, похожее на качание маятника. Она получает ускорение и затем тормозится. Расчеты показывают, что до >3/>4 энергии, расходуемой на шагание, затрачивается в фазе торможения.
Рис. 4. Шагающее колесо. А — втулка колеса, в которой перемещается золотник, распределяющий давление воздуха в камерах. Б — полость золотника, обеспечивающая сообщение камер 1 и 2 с атмосферой. В — полость золотника, по которой воздух под давлением идет от компрессора в камеру 4
Однако для процесса ходьбы характерна одна важная особенность. Она заключается в том, что при каждом шаге нога отталкивается от земли в точке, находящейся несколько позади центра тяжести тела. В результате человек падает вперед до тех пор, пока он не выставит вперед другую ногу. Эта особенность и натолкнула Юлиуса Макерле на мысль создать так называемое "шагающее колесо".
Шагающее колесо имеет на своем ободе большое число пневматических камер. Давление воздуха в них непостоянно, и все они связаны с компрессором, который, изменяя давление в камерах, заставляет колесо перемещаться. Как это происходит, легче всего понять с помощью схемы, изображенной на рис. 4. Вкратце вся идея действия этих камер сводится к тому, что камера, находящаяся за точкой касания колеса с грунтом, раздувается воздухом таким образом, что колесо опирается на нее. При этом возникает такой же опрокидывающий момент, как и при ходьбе человека.