Ультразвукова локація та термолокація в природі
Після багатьох морських катастроф, таких як загибель у 1912 році одинадцятипалубного трансатлантичного лайнера „ ТИТАНІК”, який зіткнувся з велетенським айсбергом, перед навігаційною технікою постало завдання створити прилади, які дали б змогу в цілковитій темряві чи тумані дізнаватися про наявність перешкоди. Згодом, коли почалася перша світова війна, треба було навчитися виявляти ворожі підводні човни. Потрібний був прилад, що „ бачив” би на великій відстані у воді, повітрі, в тумані, вночі. Освітлювальні установки були тут майже безсилі, а радіолокація ще недостатньо розвинута. Та й навряд чи змогла б вона розв’язати цю проблему: електромагнітні хвилі добре поширюються в повітрі, але не можуть подолати товщу морської води; вона для них так само непроникна, як чорний папір для світла. І тоді винахідники вирішили використати ехолокацію: встановлювати наявність предметів за відбитим звуком. Інженери використали принцип дії ехолакоційної системи кажанів.
Кажани північних широт – дрібні літаючі ссавці. Шерсть у них довга і м’яка, а крило-перетинка на дотик холодне і слизьке, побудовано зовсім не так, як у птахів. Тонка шкіряна перетинка розпрямляється під час польоту і ніби спирається на повітря, а пальці правлять за каркас, як лонжерони в крилі літака. Очі в кажана крихітні, їх не одразу й помітиш. Вони дуже слабкі для того, щоб керувати його швидким і вправним польотом у темряві.
Зате вуха в кажана надзвичайно великі. Вони разом з голосом і дають йому уявлення про навколишнє середовище, допомагають орієнтуватися. Кажан підіймається в повітря, і в усі боки линуть звуки. У польоті кажан майже весь час пищить. Ми не чуємо його писку, бо він високочастотний: 50тисяч звукових коливань за секунду. Вуха кажана настроєні на сприймання звуків високої частоти. Сприймаючи на слух відбуту від різних предметів луну, кажани точно визначають своє положення в просторі і легко, навіть без допомоги зору, знаходять шлях. Це дозволяє їм полювати вночі, а вдень спати. Здається все просто. І все ж таки...
Учені визначили діапазон звукових хвиль, якими користується кажани. Мінімальна довжина хвилі „ехолота” кажанів становить близько чотирьох міліметрів. Відомо, що звукові хвилі можуть відбиватися лише від тих предметів, довжина яких становить не менш як половину довжини цих хвиль. Отже, теоретично кажани мають змогу помічати в просторі лише предмети, не менші від двох міліметрів.
Та ось нещодавно вчені виявили, що кажани „помічають” ще менші предмети. Дослідники привчили їх на певний звук, що означав час видачі їжі, залітали в затемнену кімнату, де один із співробітників лабораторії тримав на витягнутій руці пінцетом міліметрового черв’яка. Жодний кажан жодного разу не промахнувся.
Експеримент ускладнили. На дверний проріз, що розділяв два приміщення, натягли нейлонову сітку з ледве помітних ниток – до 0,08 міліметра товщиною, і що ж? Пролітаючи крізь сітку, кажани жодного разу не зачепилися. Виявилося, що кажанів „бачили” предмети за допомогою ультразвуку в 25 раз вища від розрахункової. Учені вважають, що кажани розрізняють відлунок від предметів за величиною частотного зміщення, яке виникає внаслідок додавання частоти зондуючи імпульсів і частоти відлунку.
Локатор дельфіна працює майже в тому самому „режимі”, що й локатор кажана. У спокійному стані тварини безперервно посилають ультразвукові імпульси для загального орієнтування. Але як тільки увагу тварин приверне якась перешкода або якийсь предмет, кинутий у воду, кількість імпульсів різко зростає: дельфін докладно вивчає обстановку своїм локатором. Припускають, що дельфіни і „розмовляють” за допомогою цього локатора.
Учені висунули цікаву гіпотезу. На голові в дельфінів є лобовий виступ з жирової тканини, призначення якого довгий час було нез*ясованим. Цей жир відрізняється від звичайного підшкірного жиру китоподібних, але, як і будь-який жир, добре проводить ультразвуки. Вся маса лобової подушки переплетена складною системою зв*язок і м*язів, які, змінюючи кривизну заломлюючи поверхонь, утворюють ультразвукову лінзу. Фокусна відстань лінзи регулюється залежно від того, наскільки віддалений предмет, що „розглядається” за допомогою локатора. Експерименти показали, що дельфін точно орієнтується навіть тоді, коли в нього закриті обидва зовнішні внутрішні отвори й очі. Але досить закрити звуконепроникним матеріалом поверхню лобової подушки, як тварина втрачає орієнтування.
Учені встановили, що висота тону імпульсів швидко змінюються від початку до кінця кожного імпульсу. Наприкінці другої світової війни інженери дуже ефективно використали частотномодульовані коливання для створення перешкодозахищеного ультразвукового гідролокатора – сонара. А через якийсь час, коли почали докладно вивчати дельфінів, виявилося, що сонар працює приблизно так само, як і локатор дельфінів.Отже, інженери відкрили і зуміли застосувати той самий принцип, який здавна використовує в своїх ультразвукових локатора природа. Створені на основі природних ехолокаторів навігаційні прилади вже давно застосовуються в морській практиці.