Ilu kierowcom przydarzyło się, że nawigacja samochodowa wyprowadziła ich na jakąś rzadko używaną, polną lub leśną drogę? W takiej sytuacji reakcja zazwyczaj zakłada zaufanie do technologii: oto GPS wskazał mi zapomniany dukt – pewnie skrót! – dzięki któremu zaoszczędzę mnóstwo czasu. Często jednak zdarza się tak, że im dalej w las, tym bardziej droga przypomina bagno. Przed kierowcą staje wtedy podstawowe pytanie: przejadę czy się zakopię? Pozostaje wtedy zdać się na intuicję, ale mało kto wie, że odpowiedzi na ten dylemat poświęcona jest osobna dziedzina nauki: terramechanika.

Zajmuje się ona wpływem gruntu na właściwości jezdne pojazdów. Doświadczenie terramechaników jest bezcenne wszędzie tam, gdzie projektuje się maszyny, które pewnie wjadą na niejeden trudny teren. Zadaniem „mechaników ziemi” jest przewidzenie, jak pojazd będzie się zachowywał na danym gruncie.

Do tego oczywiście potrzebne są odpowiednie narzędzia. Jednym z nich jest penetrometr stożkowy – proste urządzenie składające się z ramion trzymanych przez operatora i tulei, wewnątrz której znajduje się pręt zakończony tzw. stożkiem penetrometrycznym. Przyrząd służy do badania oporu, jaki stawia gleba próbom wciśnięcia stożka w ziemię, i w taki sposób też dokonywany jest pomiar: operator chwyta penetrometr, a następnie wciska pręt w ziemię. Pręt za pośrednictwem łożysk liniowych przekazuje siłę oporu wciskania stożka na tensometryczny czujnik siły, który przekształca ją na rejestrowane napięcie. – Zależność jest prosta: im większa siła potrzebna do wciśnięcia stożka, tym większa zwięzłość gleby – tłumaczy autor wynalazku, dr inż. Mariusz Kormanek z Uniwersytetu Rolniczego im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, który opracował nową, bardziej poręczną wersję tego urządzenia.

Po co w ogóle tyle zachodu, jeśli idzie o glebę? Każdy jej badacz zaręczy, że nie jest to wcale taka nieskomplikowana materia, jakby się wydawało. – Gleba składa się z trzech faz: stałej, ciekłej i gazowej – tłumaczy dr Kormanek, wskazując, że z rolniczego punktu widzenia ważne jest, żeby wszystkie fazy występowały we właściwej proporcji. – Kiedy gleba jest zbyt wilgotna, korzenie są niedotlenione i gniją. Kiedy jest zbyt zbita, wzrost roślin jest utrudniony, gorzej im się pobiera wodę, system korzenny nie wytwarza tylu korzeni włosowych. Z kolei zbyt luźna gleba wpływa na ich stabilność – tłumaczy.

Wiedza dotycząca zwięzłości gleby ma więc wpływ nie tylko na to, jakie rośliny na niej hodować, ale też na to, jak będzie się ona zachowywała pod wpływem nacisku ze strony pojazdów, a także na to, z jaką łatwością będą się po niej poruszały. Terramechanicy, dysponując pomiarami gruntu na danym terenie, są w stanie określić, czy pojazdy o danej masie przejadą przez niego, czy ugrzęzną. Zresztą chodzi nie tylko o to, żeby sforsować jakiś obszar, ale też o to, żeby zrobić to w najbardziej ekonomiczny sposób. Może się bowiem okazać, że pojazdy wprawdzie założoną trasę pokonają, ale niekoniecznie zrobią to najszybciej albo koszty przejazdu będą bardzo wysokie, bo zużyją dużo paliwa

Zresztą możliwość opracowywania optymalnych tras przejazdu pojazdów wojskowych była jednym z powodów, dla których opracowano metodę stożka penetrometrycznego. W latach 40. ub.w. wpadli na nią inżynierowie pracujący w wojskowym ośrodku badawczym armii Stanów Zjednoczonych Waterways Experimental Station w Vicksburgu w stanie Missisipi. Dzięki ustandaryzowanym, takim samym wielkościom stożków używanych na całym świecie możliwe było porównywanie pomiarów dokonanych na różnych terenach, co znalazło odzwierciedlenie w tabelach terramechanicznych.

– Mało znanym faktem jest to, że ojcem terramechaniki był polski inżynier Mieczysław Grzegorz Bekker. Równie mało znanym faktem jest to, że miał on duży wkład w konstruowanie księżycowych łazików wykorzystywanych podczas misji Apollo 15, 16 i 17 – mówi dr Kormanek. Bekker jeszcze przed wojną w Polsce pracował w wojskowych instytutach badawczych, gdzie zajmował się konstrukcją pojazdów terenowych. Interesował go również sposób wiązania gąsienic w grząskim gruncie – wiedzę w tym zakresie będzie potem wykorzystywał wielokrotnie w trakcie swojej kariery.

Służył w kampanii wrześniowej, a po polskiej klęsce jego jednostce udało się przedostać do Rumunii. Stamtąd trafił do Francji, gdzie jego przedwojenne doświadczenia wykorzystano w wydziale czołgów tamtejszego ministerstwa uzbrojenia. Po upadku Francji trafił do Kanady, gdzie ponownie zajął się badaniami nad bronią pancerną i dosłużył się stopnia podpułkownika. Po przejściu na emeryturę w 1956 r. przeniósł się do USA, gdzie znów mógł zdyskontować swoje doświadczenie w badaniach nad właściwościami jezdnymi pojazdów w różnym terenie. W Stanach też, nakładem Uniwersytetu w Michigan, na którym otrzymał angaż, powstała jego praca uważana za symboliczny początek terramechaniki – „Theory of Land Locomotion”.

Stamtąd został ściągnięty do General Motors, a konkretnie do Defense Research Laboratories – działu zajmującego się opracowywaniem nowych rozwiązań dla wojska. To w ramach tej jednostki pracował nad łazikiem księżycowym. Oryginalnym wkładem Bekkera była między innymi konstrukcja kół, przed którymi stało nie lada zadanie wytrzymania temperatury w zakresie od -160 do +140 stopni Celsjusza, wytrzymania próżni i nie zapadania się w pył księżycowy. Ostatecznie naukowiec zdecydował się na koła ze stalowej siatki (użycie gumowych opon nie wchodziło w rachubę), używanej do produkcji strun fortepianowych, z nakładkami z tytanowych blaszek, które dodatkowo zwiększały przyczepność. Bekker miał na koncie również kilka patentów, w tym dotyczących pojazdów pozaziemskich.

Bekker był także autorem innego urządzenia do badania właściwości gleby, czyli bewametru. Penetrometr jest jednak znacznie bardziej poręcznym urządzeniem. Jedną z dziedzin, w której może się przydać, jest leśnictwo, przez wzgląd na użycie ciężkich pojazdów do prowadzenia gospodarki leśnej. Dzięki niemu leśnicy mogliby np. wskazywać inną drogę pojazdom przed załadunkiem drewna, a inną już po załadunku, kiedy są znacznie cięższe. Penetrometr może być wykorzystywany także w rolnictwie. – Pomoże tutaj wykryć tzw. podeszwę płużną, czyli warstwę zbitej gleby powstającej na skutek wieloletniej orki na tę samą głębokość oraz ugniatania dna bruzdy przez koła ciągnika i płóz pługa – mówi dr Kormanek. Podeszwa powstaje w głębszych warstwach gleby i utrudnia wsiąkanie wody oraz wymianę gazową. Po jej wykryciu za pomocą penetrometru rolnik może wykonać orkę pogłębioną lub głęboszowanie i w ten sposób pozbyć się podeszwy.

Wersja penetrometru opracowana przez dra Kormanka jest prostsza i bardziej uniwersalna w zastosowaniu niż dostępne dzisiaj na rynku urządzenia. Za kilkadziesiąt tysięcy złotych można nabyć penetrometry wyposażone w ultradźwiękowy pomiar głębokości zagłębiania stożka w glebę, które – oprócz ceny – mają jeszcze jedną poważną wadę – nieporęczność. Wymagają bowiem umieszczenia na ziemi w miejscu pomiaru płytki stalowej, która odbija ultradźwięki. – Każdy pomiar wymaga więc ułożenia tej płytki i noszenia jej ze sobą. To zbędna czynność zmniejszająca liczbę pomiarów, jaką można wykonać – mówi naukowiec.

A w wypadku wynalazku dra Kormanka jedynym ograniczeniem jest siła ramion operatora, bo wszystkie zapisy dokonywane są elektronicznie na karcie pamięci. Kto by pomyślał, że wiedza z pola znajdzie zastosowanie na Księżycu.

Doświadczenie terramechaników jest bezcenne wszędzie tam, gdzie projektuje się maszyny, które pewnie wjadą na niejeden trudny teren. Zadaniem „mechaników ziemi” jest przewidzenie, jak pojazd będzie się zachowywał na danym gruncie