Фізика в тваринному світі: пила гекону

Фото: Вікімедіа

Гекос – це жителі тропічних та субтропічних регіонів Старого та Нового Світу. Вони живуть на континентах і островах, їх розподіляюча зона є великим. Geckos має одну функцію - вони можуть утримувати практично будь-яку поверхню. Вага тіла тварини має навіть одну лапу. Поверхня може бути будь-яким - дерево, скеля, навіть поліроване скло.

Уміння гекону швидко тримати на будь-якому звернуті увагу на давньогрецькі. Арістол намагався зрозуміти принцип фіксації лапи майстра, зацікавили гекони і середньовічні вчені. Зараз навчаються вони. Є кілька теорій, що роз’яснюють видатні здібності цих ласощів у «кліматі».

Смокче на пальцях. Одна з перших пояснень, які здавалося логічно. Однак після вивчення лапи скека під мікроскопом виявилося, що на пальцях немає смоктати. На жаль, міф сосок живе в цей день.

Електроенергіяй Ще одним чуйним поясненням, яке було перероблено (хоча є деякі підтвердження цієї теорії, ми будемо говорити про них нижче), створюючи умови, при яких зарядка на ногах гекона просто не може бути. Тварина залишалася міцно на гладкій поверхні.

У 30-х роках минулого ст. Німецький вчений Вольф-Dietrich Dellit керував потоком іонізованого повітря в напрямку пилок гекону, який відбувся на металевій поверхні. Іонізація, згідно з Dellit, повинна бути нейтралізована або істотно знижена сила адгезії лап на поверхню, якщо механізм адгезії мав електричну природу. Це не сталося, тому було зроблено висновок, що гекони використовували щось інше.

Канадський вчений Олександр Пенлід вважає, що цей експеримент був некоректним. Справа в тому, що контакт між лапами гекону і поверхнею вкрай невелика, в результаті чого іонізовані молекули просто не проникають між ультрамалими структурами лап і поверхнею і нейтралізують взаємодію.

Зведення бульб з поверхні нерівностейй Це пояснення також не підходить, так як гекони можуть переміщатися на вертикальній поверхні полірованого скла. Крім того, вони можуть пересуватися на стелі одного матеріалу.


Фото: Вікіпедія

З появою електронного мікроскопа, лапа гекона здатна детально вивчити. Як виявилося, вона покрита надзвичайно тонкими грудками, довжина яких до сотні мікрометрів. Концентрація метеликів на одиницю площі поверхні ніг дуже висока: більше 14,000 волосся на 1 мм2. Кожен щебінь, в свою чергу, не монолітне утворення, але ділиться на кінці на 400-1000 навіть менших волокон. Товщина таких волокон становить 0,2 мкм. 1 см2 контакту з поверхневими рахунками близько 2 млрд волокон, кожен з яких по закінченню розширюється.



Ах Підніжка гекона б. "Подушка" геконового пальця під мікроскопом б. Один з бристів кульки брекета. Крім того, під більшою масгніфікацією д. Максимальне збільшення блистерів (фото: сувеніри)

Американські вчені знайшли, що сила зчеплення поточної лапи Gecko 10 Newtons за 1 см2. Така адгезія можлива тільки для гладких поверхонь, де задіяні практично всі волокна на ногах тварини. Якщо мова йде про поверхні часто зустрічається в звичаях геконів - скелях, деревах, тільки частина волокон на лапах бере участь тут (докладаючи велику кількість нерівностей на цих поверхнях), але це досить зберегти тварину на місці.

Як виявилося, мікроскопічні волоски на лапках гекону дотримуються опорної поверхні через ван дер Вальсові сили. Ван дер Вальсові сили є силами внутрішньолекулярної (і міжатомічної) взаємодії з енергією 10-20 кДж/мол. Основою сили ванного дера Waals є коуломні сили взаємодії електронів та нуклеї однієї молекули та нуклеї та електронів іншого. На певній відстані між молекулами формуються сили тяжіння і відштовхування балансу один одному, а стабільна система. Саме ця система, яка робить лапу скека з поверхнею, з якою вона надходить в контакт.

Комплексна структура пили забезпечує ще одне майно – гідрофобність. Пила відштовхує воду і бруду, щоб гейко може добре рухатися на вологих поверхнях.

Гекон не має проблем знезараження лапи з поверхні, на якій він фіксується. Для цього використовується спеціальний механізм. Справа в тому, що метелики, прикріплені до будь-якого матеріалу, можуть легко розгорнути, якщо кут між клітковиною і поверхнею більше 30 °. При русі, зміні кута контакту з лапою і поверхнею, скекон легко закріплює і знімає лапи. Витрата енергії для цього процесу мінімальна.

Венд дер Вальсні сили або щось? Два роки тому канадський вчений Олександр Пенлідіс вирішив самостійно вивчити механізм прихильності глаконових лап до поверхонь. Як виявилося, коли пила і поверхневий дотик, відбувається обмін електричних зарядів. В результаті на лапі утворюється позитивна електростатична зарядка і негативна зарядка.

Penlidis експериментував з двома видами полімерних поверхонь – Teflon AF і полідиметилсилоксан. За результатами дослідження, міцність адгезії, пов'язана з величиною електростатичного заряду лапи і поверхні. І з цього випливає, що це електричний заряд, який грає основну роль при адгезії лапи на поверхні.



Дослідження цікава, але не відповідає важливому питання про те, як гекон тримається на дуже нерівних поверхнях, де набагато складніше забезпечити зчеплення за допомогою електричної зарядки, ніж на плоскій поверхні. Ймовірно, лапи гекону мають подвійний механізм адгезії – як ван дер Вальсові сили, так і електричним зарядом.

У переважній більшості випадків вчені провели експерименти з геконами в сухому середовищі. Вчені з університету Акрону вирішили перевірити, як добре запашний може переходити на вологі поверхні. Як виявилося, якщо ви обприскуєте воду на скляній пластині, тварина зберігається на такій поверхні набагато гірше, ніж на одній пластині без крапель води.



Однак гекон керується перебуванням на мокрій поверхні. Але якщо пластина занурюється на неглибоку глибину в воді, а гейко поміщається знову на пластину, сарда не може залишатися на поверхні в таких умовах. Якщо ви занурте лапи коньяку в воду за годину і навпіл, а потім висаджувати її на склянці, вона ковзає, не в змозі отримати ступеню.

За даними Alyssa Stark (Alyssa Stark) з Університету Акрона, це пов'язано з тим, що вода заважає силам взаємодії вандера Waals, а лапи джека не можуть зафіксувати на поверхні.

Механізм фіксації ніг на поверхні передбачає повне тіло гекона, кажуть вчені з Університету Массачусетса в Амгерсті. Тіло рептилій, за словами Альфреда Кроссбі, грає роль весни, яка натискає ноги на поверхню. І чим більша маса тіла скека, тим сильніше ця весна. Завдяки цьому механізму, великі види геконів відмінно зберігаються в будь-якій поверхні, не тільки їх дрібні родичі.

Незважаючи на те, що Олександр Пенлідіс зміг довести ефект електрозарядки на клейковій здатності бульбових пилок, більшість експертів підтримують точку зору механізму адгезії на основі сил вандера Вальса. Зараз вчені намагаються пояснити ще одну цікаву проблему - походження цього механізму в процесі еволюції.

Так як механізм кульок в цілому став чітким, люди намагаються відтворити його штучно. Зокрема, DARPA створив сходження обладнання, що дозволяє людині вагою 122 кг (вага тіла + перезавантаження), щоб підняти скляну круту стіну на висоту 7,6 м. Інженер зі Стенфорда створив робот, який може підніматися практично гладкими поверхнями. У маніпуляторах роботи також моделюються після лапки гекона. А фахівці з Університету Пенсільванія розробили новий тип високоточної крупи, яка може використовуватися в виробництві для роботи з невеликими частинами. Розробляється надклеюча стрічка, яка може витримати багато циклів використання і поверхні якої не забруднюється тривалим використанням. НАСА розробила спеціальне кріплення, яке може використовуватися як в умовах Землі, так і в нульовій швидкості. Дозволяє закріпити навантаження на поверхні за допомогою спеціальної «Velcro», створеної в образі і схожості поверхні підніжжя стека.

Джерело: geektimes.ru/post/278884/