Co ma humbak do wiatraka?

Minęły już czasy, gdy inżynierowie chcieli pokonać naturę. Dziś coraz częściej wykorzystują jej wynalazki. Ot, choćby budując supernowoczesne śmigła udające płetwy wieloryba.
 
Niedawno w Marsylii zakończył się coroczny zjazd europejskiego Towarzystwa Biologii Doświadczalnej. Naukowcy dzielili się tam swoimi odkryciami dotyczącymi funkcjonowania żywych istot. Szczególnie fascynujące były badania biomechaników. W jaki sposób noga słonia pochłania wstrząsy? Co się dzieje ze ścięgnami gibona huśtającego się na gałęzi? Jak małże wiercą otwory w skałach? To tylko kilka przykładowych referatów. Łatwo wyobrazić sobie zwariowanych naukowców poświęcających życie takim ciekawostkom. Bo po co komu badania nad promieniem skrętu wielorybów, a konkretnie - humbaków? Tymczasem takie prace mogą doprowadzić do rewolucji w lotnictwie i energetyce wiatrowej.

Uwaga, ostry zakręt

Humbaki dorastają do kilkunastu metrów długości. Słyną z wyjątkowych "pieśni" - serii niskich dźwięków słyszanych z odległości setek kilometrów. No i ze spektakularnych wyskoków nad wodę, na którą opadają z ogromnym hukiem. Nieco mniej osób zna ich sprytną metodę polowania.

Humbak podpływa pod ławicę drobnych ryb i zaczyna wokół niej krążyć. Jednocześnie wypuszcza powietrze przez otwór nosowy, zataczając coraz ciaśniejsze kręgi. Ryby, osaczone strumieniami pęcherzyków powietrza, zbijają się w gromadę, a wtedy humbak wykonuje ciasny zwrot w stronę ławicy, otwiera pysk i tysiące ryb znikają w jego gardzieli.

Ta finezyjna metoda połowu zwróciła uwagę nie tylko miłośników przyrody, ale także inżynierów. Okazało się bowiem, że gigantyczne morskie ssaki są dużo zwrotniejsze, niż wynika to z matematycznych wyliczeń. - Według modelu najmniejszy okrąg, jaki może "narysować" bąbelkami dziewięciometrowy humbak, powinien mieć średnicę ok. 15 m - tłumaczył podczas zjazdu dr Frank Fish z West Chester University w USA. Jednak wieloryby najwyraźniej nie znają tych obliczeń. Wbrew inżynierom potrafią kreślić bąbelkami nawet kilka razy mniejsze okręgi. Jakim cudem ważące ponad 30 ton zwierzę potrafi utrzymać się w takim ostrym zakręcie?

Skrzydlaty wieloryb

Gdy ostry zakręt ma wykonać samolot, pilot musi przechylić go na jedno skrzydło. Siła nośna równoważy wówczas siłę odśrodkową, która próbuje odrzucić samolot dalej od środka okręgu. Podobną metodę stosuje humbak, a jako skrzydła służą mu potężne płetwy piersiowe mierzące ponad cztery metry (stąd inna nazwa tego walenia: długopłetwiec). Jeśli jednak porównać eleganckie, gładkie lotnicze skrzydło z płetwą humbaka, to ta ostatnia nie wygląda zbyt atrakcyjnie. Jej przednia krawędź jest pokryta licznymi zgrubieniami i guzkami. Twórcy samolotów dbali o gładkość i opływowy kształt skrzydła, by utrzymać wokół niego liniowy, niezakłócony przepływ powietrza. Tymczasem guzki humbaka sprawiają, że w wodzie opływającej płetwy tworzą się wiry. I wbrew inżynierskiej intuicji to właśnie one dają wielorybowi nadzwyczajne możliwości. Zespół dr. Fisha zrobił z tworzywa ruchome modele płetw humbaka - z guzkami i bez - i sprawdził ich właściwości w tunelu aerodynamicznym. Ostatnio dołożono do tego komputerowe analizy zachowania różnych płetw w powietrzu. I co? Okazuje się, że nierówna przednia krawędź płetwy daje zwierzęciu dużo większą siłę nośną i mniejszy opór. - Dla humbaka oznacza to lepszą manewrowość i większą zwinność - wyjaśnia Frank Fish - a wszystko za sprawą zawirowań tworzących się na guzkach.

Z oceanu w przestworza

Podobieństwo humbaka do samolotu samo narzuca możliwe zastosowania tego odkrycia w lotnictwie. Frank Fish zdecydował się jednak wykorzystać doświadczenie humbaków w innej dziedzinie techniki. Został prezesem kanadyjskiej firmy WhaleCorp produkującej elektrownie wiatrowe. Testują właśnie turbiny wyposażone w łopaty o krawędziach uformowanych na podobieństwo płetw humbaka.

Każda z łopat ozdobiona dziesiątkami wypustek przypomina nieco grzebień. Próby wykazały, że takie elektrownie sprawdzały się zwłaszcza przy słabych wiatrach, gdy klasyczne wiatraki ledwie się kręciły. Ich śmigła przy wietrze wiejącym z prędkością 10 mil na godzinę wytwarzały tyle energii co ich "gładcy" krewniacy przy 17 milach na godzinę, a przy 17 milach na godzinę wytwarzały dwa razy więcej energii niż konwencjonalne turbiny. Do tego były dużo cichsze i lepiej radziły sobie podczas huraganów, śniegu i deszczu. "Wielorybie śmigła" można też zastosować do wentylacji budynków, podnosząc wydajność wymiany powietrza o 20 proc. - Ta technologia w przyszłości może być także wykorzystana przy projektowaniu wirników śmigłowców - przewiduje dr Fish.

To całkiem możliwe, bo rozwiązania opracowane przez miliony lat ewolucji często są dużo skuteczniejsze niż efekt myśli człowieka. Powstała nawet nowa dziedzina nauki - bionika, zajmująca się wykorzystywaniem patentów natury. Rezultaty pracy bioników coraz częściej wchodzą do powszechnego użycia: ubrania zapinane na rzepy zawdzięczamy owocom łopianu, a nowoczesne stroje pływackie to kopia skóry rekina. Na rynek wchodzą właśnie plastry, które można nakleić na suche i mokre powierzchnie, a które wzorowano na powierzchni łap gekona. W RPA stoją ekologiczne biurowce, w których system klimatyzacji zaczerpnięto z termitiery, a kierowcy na całym świecie mogą już kupić opony, których bieżnik rozszerza się niczym palce lądującego po skoku kota. Lista bionicznych wynalazków poszerzyła się właśnie o wielorybie śmigło, a wiele wskazuje na to, że wkrótce na wakacje będziemy lecieć samolotem o szeroko rozpostartych płetwach.