Защо пчелите строят шестоъгълници и каква е инженерната логика зад една от най-ефективните конструкции в природата?

Пчелите, със своето поведение и удивителна организация, вълнуват човешкото съзнание от векове. Те обитават всички континенти, с изключение на Антарктида, като се срещат навсякъде, където има цъфтящи растения, опрашвани от насекоми. Връзката между хората и пчелите съществува от хилядолетия – изображения на събирачи на мед от диви пчели са датирани на около 15 000 години, а съдове с мед са откривани дори в гробниците на древноегипетски фараони.

Оказва се, че визуалната ни представа за пчелите е силно повлияна от познатия им образ в анимационните филми, но в природата съществуват хиляди видове, които се различават значително по размер, окраска и поведение. Някои водят самотен начин на живот, много от тях дори нямат жило, а при определени видове оцеляването е свързано с нападението и ограбването на по-слаби колонии.

Най-силно впечатление обаче продължава да прави изключителната организация на пчелните семейства и сложната инженерна структура на техните кошери и т.нар пчелни структури или пчелни пити. Именно на тях е посветена днешната ни Инженерна история.

От пчелния кошер до авиацията

Шестоъгълната форма на клетъчната структура на питите, изграждани от пчелите, е позната още от древността. Едва през 1638 г. Галилео Галилей разглежда идеята, че куха конструкция, изработена от лек материал, може да бъде много по-здрава в сравнение с плътен елемент от същия материал. Свойствата на структурата тип „пчелна пита“ са допълнително проучени и потвърдени през 1665 г., когато Робърт Хук установява, че клетъчната структура на корка притежава сходни характеристики с шестоъгълните клетки на пчелните пити.

През 1859 г. Чарлз Дарвин определя пчелната пита като изключително ефективен начин за икономично използване на енергия и восък. През 1877 г. Ф. Х. Кустерман разработва процес за направата на пчелни структури от смес от лепило и хартия. През 1901 г. Ханс Хайлбрун създава производствен процес за изработване на хартиени структури тип „пчелна пита“ чрез разширяване на материала.

Използването на пчелните структури като конструктивни елементи и развитието на технологиите за тяхното производство получават сериозен тласък през 1914 г., когато Р. Хофлер и С. Рени получават патент за използването на структури тип „пчелна пита“ като конструктивен елемент. През 1915 г. Хуго Юнкерс получава патент за използване на ядра тип „пчелна пита“ в самолетни конструкции, с което започва по-широкото приложение на технологията в авиацията.

През 1919 г. е изработен първият самолетен панел, състоящ се от тънки облицовъчни слоеве от махагон, свързани към сърцевина от балсово дърво с ориентирани перпендикулярно влакна. Конструкцията е използвана като основен конструктивен елемент на поплавъците на хидросамолет. Поради проблемите, свързани с влагата, впоследствие в самолетостроенето започват да се използват алуминиеви конструкции със сърцевина тип „пчелна пита“.

През 1938 г. Норман дьо Брюн патентова специално лепило за свързване на пчелните структури в самолетни конструкции, а с развитието на нови производствени методи и технологии се усъвършенстват и технологиите за свързване на отделните елементи.

Тайната на леките и здрави конструкции

Пчелните структури (honeycomb) представляват конструкции от множество отворени клетки, оформени от тънки листове материал, свързани помежду си. Използването им в авиационните двигатели непрекъснато се разширява благодарение на съчетанието от ниска маса и добра устойчивост. За изработването на пчелни структури за високотемпературни приложения се използват различни никелови суперсплави, сред които Hastelloy-X и Haynes 214. Тези материали се отличават с голяма здравина при високи температури и са подходящи за компоненти, подложени на значителни термични и механични натоварвания. Благодарение на използването на пчелни структури може да се намали масата на конструктивните елементи, както и да се увеличи експлоатационният им живот.

Сърцевините тип „пчелна пита“ се използват и при изработването на предни и задни ръбове на крилата, закрилки, спойлери, двигателни гондоли, както и за вътрешни компоненти на самолетите – подове, тавани и странични панели. В производството на хеликоптери пчелните структури се използват за изработването на лопатките на основния и опашния ротор.

Благодарение на своята здравина и в същото време лекота, пчелните структури намират широко приложение и в космическата индустрия и в корабостроенето.

Как природният модел се превръща в инженерна конструкция

Геометрията от множество повтарящи се клетки позволява да се постигне висока якост и твърдост при сравнително ниска маса, което прави този тип структура особено подходящ за олекотени конструктивни решения. Този принцип се прилага широко в инженерството – от авиационни и космически конструкции до транспортното машиностроене, корабостроенето и различни композитни изделия.

За производството на подобни конструкции клетъчната геометрия се формира от тънки листове или фолиа, които впоследствие се съединяват и фиксират, за да образуват стабилна сърцевина. В зависимост от материала и изискванията към готовата конструкция могат да се използват различни технологии за съединяване. Основно се прилагат пет метода:

1. Лепилно съединяване – приблизително 95% от конструкциите се произвеждат чрез този метод. При него отделните листове или фолиа се свързват със специално лепило. Максималната температура, която лепилно свързаните съединения могат да издържат, е около 399 °C.
2. Запояване – метод за съединяване на материалите при температури над 427 °C, използван основно при приложения, изискващи висока температурна устойчивост.
3. Термично спояване – при този метод съединяването се осъществява чрез термично въздействие, като максималната температура, която съединенията могат да издържат, е около 204 °C.
4. Контактно заваряване – високотемпературен метод за съединяване на материали, способни да издържат температури до около 996 °C.
5. Дифузионно свързване – при този процес съединяваните повърхности се нагряват в пещ до определена температура, достигаща около 800 °C. При нагряването се осъществява дифузия между повърхностите, в резултат на което се формира здраво металургично съединение.

От восъка до нанотехнологиите

Природата е намерила изключително ефективен начин да съчетае минимален разход на материал с максимално използване на пространство. Това е закодирано в основата на пчелната пита – шестоъгълната геометрия позволява на пчелите да изграждат възможно най-голям обем от клетки, използвайки минимално количество восък. През 1999 г. математикът Томас Хейлс окончателно доказва математическата хипотеза, която обяснява колко ефикасна е тази природна конфигурация. Така шестоъгълната структура на пчелната пита се утвърждава като изключително ефективен конструктивен модел.

В основата на това съвършенство стои един много интересен физичен процес. Изследванията на Карихало и неговия екип  показват как първоначално кръглите клетки в естествената пита се преобразуват в заоблени шестоъгълни форми. Централна роля играе восъкът, който работничките пчели нагряват и омекотяват, докато стане вискоеластичен. Под действието на топлината и механични връзки между съседните клетки той се разтича в зоните между тях и постепенно оформя характерната шестоъгълна геометрия. Учените са силно озадачени от съвършенството на тази структура и често се питат дали формата на пчелната пита е просто резултат от действието на физичните закони или представлява поредният забележителен пример за естествено биологично инженерство.

Днес този природен модел далеч не се ограничава до пчелните кошери. С развитието на електронната микроскопия учените откриват все повече структури с шестоъгълна или сходна геометрия в природата – от живи тъкани и клетъчни агрегати до молекулярни структури. Успоредно с това развитието на производствените технологии позволява принципът на пчелната структура да бъде пресъздаван и адаптиран в изкуствени материали с размери от порядъка на нанометри.

Пчелната структура е пример за това как едно на пръв поглед просто природно решение може да се превърне в основа на сложни инженерни технологии. От кошера до най-съвременните високотехнологични конструкции – пчелната пита продължава да доказва своята изненадваща универсалност, практичност и здравина.

По текста работи: Елена Исаева

Подготвихме материала с помощта на информация от: International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT); www.sciencedirect.com и др.

Източник на снимковия материал:  ©Engineer.BG via Canva.com