Физика в мире животных: лапа геккона

      Комментарии к записи Физика в мире животных: лапа геккона отключены

Физика в мире животных: лапа геккона

Гекконы — жители тропических и субтропических областей Ветхого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения широк. У гекконов имеется одна особенность — они могут удерживаться фактически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает кроме того одна лапа.

Поверхность возможно любой — дерево, скальная порода, кроме того полированное стекло.

На свойство геккона прочно держаться за что угодно обращали внимание еще древние греки. Аристотель пробовал осознать принцип закрепления лапы ящерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. Изучают их и в наши дни.

Имеется пара теорий, растолковывающих выдающиеся свойства этих ящериц в «альпинизме».

Присоски на пальцах.

Одно из первых объяснений, которое смотрелось в полной мере логичным. Действительно, по окончании изучения лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет. К сожалению, миф о присосках живет и по этот сутки.

Электростатика. Еще одно похожое на правду объяснение, которое удалось опровергнуть (не смотря на то, что имеется и кое-какие подтверждения данной теории, о них поболтаем ниже), создав условия, при которых заряда на лапах геккона просто не могло быть. Животное все равно прочно держалось на ровной поверхности.

Фото: Wikimedia

Опровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Германский ученый Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, что держался на железной поверхности. Ионизация, согласно точки зрения Деллита, должна была нейтрализовать либо существенно уменьшить силу сцепления лап с поверхностью, если бы механизм сцепления имел электрическую природу.

Этого не случилось, исходя из этого был сделан вывод, что гекконы применяют что-то еще.

Канадский ученый Александр Пенлидис уверен в том, что данный опыт был некорректным. Дело в том, что контакт между поверхностью и лапами геккона очень тесен, благодаря чего ионизированные молекулы просто не в состоянии пробраться между сверхмалыми структурами поверхности и лап и нейтрализовать сотрудничество.

Сцепление лап геккона с неровностями поверхности. Это объяснение также не подходит, потому, что гекконы смогут передвигаться по вертикальной поверхности из полированного стекла. Более того, они смогут передвигаться и по потолку из того же материала.

Фото: wikipedia

С возникновением электронного микроскопа лапу геккона удалось изучить во всех подробностях. Как выяснилось, она покрыта очень узкими щетинками, протяженность которых образовывает до много микрометров. Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы довольно большая: более 14 000 волосков на 1 мм2.

Любая щетинка, со своей стороны, не есть монолитным образованием, а делится на финише на 400–1000 еще более небольших волокон. Толщина таких волокон образовывает 0,2 мкм. На 1 см2 контакта с поверхностью приходится около 2 млрд волокон, каждое из которых к концу расширяется.

а. Лапка геккона б. «Подушечка» пальца геккона под микроскопом в. Одна из щетинок лапы геккона г. Она же, под громадным повышением д. Большое повышение щетинки. (фото: somuchnews)

Американские ученые узнали, что сила сцепления лапы геккона токи образовывает 10 Ньютон на 1 см2. Такое сцепление вероятно только для ровных поверхностей, где задействованы фактически все волокна на лапах животного. В случае если речь заходит о поверхностях, довольно часто видящихся в местах обитания гекконов — гора, деревья, тут задействована только часть волокон на лапах (в силу солидного числа неровностей на этих поверхностях), но и этого хватит для удержания животного на месте.

Как выяснилось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепляются с опорной поверхностью при помощи ван-дер-ваальсовых сил.

Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) сотрудничества с энергией 10—20 кДж/моль. Базу ван-дер-ваальсовых сил составляют кулоновские силы сотрудничества между ядрами и электронами одной молекулы и электронами и ядрами второй. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая совокупность.

Как раз такую совокупность и образовывает лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.

Сложное строение лапы снабжает и еще одно ее свойство — гидрофобность. Лапа отталкивает грязь и воду, благодаря чему геккон может хорошо передвигаться и по мокрым поверхностям.

Геккон без неприятностей открепляет лапу от поверхности, на которой она закреплена. Для этого употребляется особый механизм. Дело в том, что прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может легко открепиться, в случае если угол между поверхностью и волокном составит более 30°.

При перемещении, изменяя поверхности соприкосновения и угол лапы, геккон легко закрепляет и открепляет лапы. Затраты энергии на данный процесс минимальны.

Силы Ванд-дер-ваальса либо что-то еще?

Два года назад канадский ученый Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) решил самостоятельно изучить механизм прилипания лап геккона к поверхностям. Как выяснилось, при поверхности и соприкосновении лапы появляется обмен электрическими зарядами. В итоге образуется хороший электростатический заряд у лапы и отрицательный — у поверхности.

Пенлидис ставил опыт с двумя типами полимерных поверхностей — тефлоном AF и полидиметилсилоксаном. В соответствии с выводам, сделанным ученым по итогам изучения, сила адгезии коррелировала с величиной поверхности и электростатического заряда лапы. А из этого направляться, что именно заряд играется ключевую роль в сцеплении лапы с поверхностями.

Изучение увлекательное, но оно не отвечает на серьёзный вопрос — как именно геккон держится на весьма неровных поверхностях, где обеспечить адгезию с применением заряда значительно сложнее, чем на ровной поверхности. Быть может, лапы геккона имеют двойной силы и — механизм сцепления ван-дер-ваальса, и электрический заряд.

Влияние воды

Практически во всех случаях ученые проводили опыты с гекконами в сухой среде. Ученые из Акронского университета решили проверить, как прекрасно ящерица может перемещаться по увлажненным поверхностям. Как выяснилось, в случае если распылить на стеклянную пластину воду, то животное держится на таковой поверхности значительно хуже, чем на той же пластине без капель воды.

Однако, удержаться на мокрой поверхности геккону удается. Но в случае если пластину загрузить на маленькую глубину в воду, а геккона опять поместить на пластину, то ящерица не имеет возможности удержаться на поверхности в таких условиях. В случае если загрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а после этого посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепиться.

Согласно точки зрения Алиссы Старк (Alyssa Stark) из Акронского университета, это разъясняется тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового сотрудничества, и лапы геккона не смогут закрепиться на поверхности.

Не только лапы

В механизме закрепления лап на поверхности участвует все тело геккона, утверждают ученые из Массачусетского университета в Амхерсте. Тело рептилии, по словам Альфреда Кросби (Alfred Crosby), играет роль пружины, которая прижимает лапы к поверхности. И чем больше масса тела геккона, тем посильнее эта пружина.

Именно поэтому механизму в любой поверхности превосходно держатся и большие виды гекконов, а не только их небольшие родственники.

Не обращая внимания на то, что Александр Пенлидис смог доказать влияние заряда на адгезионную свойство лап геккона, большая часть экспертов поддерживают все же точку зрения о механизме сцепления на базе сил ван-дер-ваальса. на данный момент ученые пробуют растолковать еще одну увлекательную проблему — происхождение этого механизма в ходе эволюции.

«Гекконовый скотч»

С того времени, как механизм работы лапок геккона в целом стал понятен, люди пробуют воcпроизвести его искусственно. В частности, агентство DARPA создало альпинистское оборудование, разрешающее человеку с массой 122 кг (масса тела + нужная нагрузка) взобраться на стеклянную отвесную стенке на высоту в 7,6 м. Инженер из Стэнфорда создал робота, что может взбираться по фактически отвесным ровным поверхностям. Манипуляторы робота также созданы по примеру лапы геккона.

А эксперты из Пенсильванского университета создали новый тип точного захвата, что возможно применять на производстве для работы с небольшими подробностями. Ведется и разработка сверхклейкого скотча, что может выдержать большое количество циклов применения и поверхность которого не загрязняется при долгом применении. В на данный момент создали особое крепление, которое возможно применять как условиях Почвы, так и в условиях невесомости в космосе.

Оно разрешает крепить грузы к поверхностям при помощи особой «липучки», созданной по подобию и образу поверхности лапки геккона.

Геккон и его необычные прилипающие лапки без клея.


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: