‘изика в мире животных: лапа геккона

јвтор:
kaa
ѕечать
дата:
29 июл€ 2016 02:31
ѕросмотров:
2188
 омментариев:
0
‘изика в мире животных: лапа геккона


√екконы - обитатели тропических и субтропических областей —тарого и Ќового —вета. Ёти €щерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространени€ обширен. ” гекконов есть одна особенность - они умеют удерживатьс€ практически на любой поверхности. ¬ес тела животного удерживает даже одна лапа. ѕоверхность может быть любой - дерево, скальна€ порода, даже полированное стекло.


Ќа способность геккона крепко держатьс€ за что угодно обращали внимание еще древние греки. јристотель пыталс€ пон€ть принцип закреплени€ лапы €щерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. »зучают их и в наше врем€. ≈сть несколько теорий, объ€сн€ющих выдающиес€ способности этих €щериц в "альпинизме".

ѕрисоски на пальцах. ќдно из первых объ€снений, которое выгл€дело вполне логичным. ѕравда, после изучени€ лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет.   сожалению, миф о присосках живет и по сей день.

Ёлектростатика. ≈ще одно правдоподобное объ€снение, которое удалось опровергнуть (хот€ есть и некоторые подтверждени€ этой теории, о них поговорим ниже), создав услови€, при которых зар€да на лапах геккона просто не могло быть. ∆ивотное все равно крепко держалось на гладкой поверхности.

ќпровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Ќемецкий ученый ¬ольф-ƒитрих ƒеллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, который держалс€ на металлической поверхности. »онизаци€, по мнению ƒеллита, должна была нейтрализовать или значительно уменьшить силу сцеплени€ лап с поверхностью, если бы механизм сцеплени€ имел электрическую природу. Ётого не произошло, поэтому был сделан вывод, что гекконы используют что-то еще.

 анадский ученый јлександр ѕенлидис считает, что этот эксперимент был некорректным. ƒело в том, что контакт между лапами геккона и поверхностью чрезвычайно тесен, вследствие чего ионизированные молекулы просто не в состо€нии проникнуть между сверхмалыми структурами лап и поверхности и нейтрализовать взаимодействие.

—цепление лап геккона с неровност€ми поверхности. Ёто объ€снение тоже не подходит, поскольку гекконы могут передвигатьс€ по вертикальной поверхности из полированного стекла. Ѕолее того, они могут передвигатьс€ и по потолку из того же материала.

‘изика в мире животных: лапа геккона


— по€влением электронного микроскопа лапу геккона удалось изучить во всех детал€х.  ак оказалось, она покрыта чрезвычайно тонкими щетинками, длина которых составл€ет до сотни микрометров.  онцентраци€ щетинок на единицу площади поверхности лапы очень высока: более 14 000 волосков на 1 мм^2.  ажда€ щетинка, в свою очередь, не €вл€етс€ монолитным образованием, а делитс€ на конце на 400-1000 еще более мелких волокон. “олщина таких волокон составл€ет 0,2 мкм. Ќа 1 см^2 контакта с поверхностью приходитс€ около 2 млрд волокон, каждое из которых к концу расшир€етс€.

‘изика в мире животных: лапа геккона

а. Ћапка геккона б. "ѕодушечка" пальца геккона под микроскопом в. ќдна из щетинок лапы геккона г. ќна же, под бќльшим увеличением д. ћаксимальное увеличение щетинки


јмериканские ученые вы€снили, что сила сцеплени€ лапы геккона токи составл€ет 10 Ќьютон на 1 см^2. “акое сцепление возможно лишь дл€ гладких поверхностей, где задействованы практически все волокна на лапах животного. ≈сли речь идет о поверхност€х, часто встречающихс€ в местах обитани€ гекконов - скалы, деревь€, здесь задействована лишь часть волокон на лапах (в силу большого числа неровностей на этих поверхност€х), но и этого достаточно дл€ удержани€ животного на месте.

 ак оказалось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепл€ютс€ с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил. ¬ан-дер-ваальсовы силы - силы межмолекул€рного (и межатомного) взаимодействи€ с энергией 10-20 кƒж/моль. ќснову ван-дер-ваальсовых сил составл€ют кулоновские силы взаимодействи€ между электронами и €драми одной молекулы и €драми и электронами другой. Ќа определенном рассто€нии между молекулами силы прит€жени€ и отталкивани€ уравновешивают друг друга, и образуетс€ устойчива€ система. »менно такую систему и составл€ет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасаетс€.

—ложное строение лапы обеспечивает и еще одно ее свойство - гидрофобность. Ћапа отталкивает воду и гр€зь, благодар€ чему геккон может неплохо передвигатьс€ и по влажным поверхност€м.

√еккон без проблем открепл€ет лапу от поверхности, на которой она закреплена. ƒл€ этого используетс€ специальный механизм. ƒело в том, что прикрепивша€с€ к какому-либо материалу щетинка может без труда открепитьс€, если угол между волокном и поверхностью составит более 30∞. ѕри движении, измен€€ угол соприкосновени€ лапы и поверхности, геккон без труда закрепл€ет и открепл€ет лапы. «атраты энергии на этот процесс минимальны.

—илы ¬анд-дер-ваальса или что-то еще?

ƒва года назад канадский ученый јлександр ѕенлидис (Alexander Penlidis) решил самосто€тельно изучить механизм прилипани€ лап геккона к поверхност€м.  ак оказалось, при соприкосновении лапы и поверхности возникает обмен электрическими зар€дами. ¬ итоге образуетс€ положительный электростатический зар€д у лапы и отрицательный - у поверхности.

ѕенлидис ставил эксперимент с двум€ типами полимерных поверхностей - тефлоном AF и полидиметилсилоксаном. —огласно выводам, сделанным ученым по результатам исследовани€, сила адгезии коррелировала с величиной электростатического зар€да лапы и поверхности. ј из этого следует, что именно электрический зар€д играет главную роль в сцеплении лапы с поверхност€ми.

‘изика в мире животных: лапа геккона


»сследование интересное, но оно не отвечает на важный вопрос - каким образом геккон держитс€ на очень неровных поверхност€х, где обеспечить адгезию с использованием электрического зар€да гораздо сложнее, чем на ровной поверхности. ¬озможно, лапы геккона имеют двойной механизм сцеплени€ - и силы ван-дер-ваальса, и электрический зар€д.

¬ли€ние воды

¬ подавл€ющем большинстве случаев ученые проводили эксперименты с гекконами в сухой среде. ”ченые из јкронского университета решили проверить, насколько хорошо €щерица может перемещатьс€ по увлажненным поверхност€м.  ак оказалось, если распылить на стекл€нную пластину воду, то животное держитс€ на такой поверхности гораздо хуже, чем на той же пластине без капель воды.



“ем не менее, удержатьс€ на влажной поверхности геккону удаетс€. Ќо если пластину погрузить на небольшую глубину в воду, а геккона снова поместить на пластину, то €щерица не может удержатьс€ на поверхности в таких услови€х. ≈сли погрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а затем посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепитьс€.

ѕо мнению јлиссы —тарк (Alyssa Stark) из јкронского университета, это объ€сн€етс€ тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового взаимодействи€, и лапы геккона не могут закрепитьс€ на поверхности.

Ќе только лапы

¬ механизме закреплени€ лап на поверхности участвует все тело геккона, утверждают ученые из ћассачусетского университета в јмхерсте. “ело рептилии, по словам јльфреда  росби (Alfred Crosby), играет роль пружины, котора€ прижимает лапы к поверхности. » чем больше масса тела геккона, тем сильнее эта пружина. Ѕлагодар€ этому механизму в любой поверхности отлично держатс€ и крупные виды гекконов, а не только их мелкие родственники.

Ќесмотр€ на то, что јлександр ѕенлидис смог доказать вли€ние электрического зар€да на адгезионную способность лап геккона, большинство специалистов поддерживают все же точку зрени€ о механизме сцеплени€ на основе сил ван-дер-ваальса. —ейчас ученые пытаютс€ объ€снить еще одну интересную проблему - происхождение этого механизма в процессе эволюции.

"√екконовый скотч"

— тех пор, как механизм работы лапок геккона в целом стал пон€тен, люди пытаютс€ воcпроизвести его искусственно. ¬ частности, агентство DARPA создало альпинистское оборудование, позвол€ющее человеку с массой 122 кг (масса тела + полезна€ нагрузка) взобратьс€ на стекл€нную отвесную стену на высоту в 7,6 м. »нженер из —тэнфорда создал робота, который может взбиратьс€ по практически отвесным гладким поверхност€м. ћанипул€торы робота тоже созданы по образцу лапы геккона. ј специалисты из ѕенсильванского университета разработали новый тип высокоточного захвата, который можно использовать на производстве дл€ работы с мелкими детал€ми. ¬едетс€ и разработка сверхклейкого скотча, который может выдержать много циклов использовани€ и поверхность которого не загр€зн€етс€ при длительном использовании. ¬ NASA разработали специальное крепление, которое можно использовать как услови€х «емли, так и в услови€х невесомости в космосе. ќно позвол€ет крепить грузы к поверхност€м при помощи специальной "липучки", созданной по образу и подобию поверхности лапки геккона.

0 не понравилс€
21 понравилс€ пост
 
Ќезарегистрированные посетители не могут оценивать посты
 
 
 
 

 
 
 
 

»нформаци€

 
 
 
 
 
 
 
 
 

ќставл€ть свои CRAZY комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
ѕожалуйста пройдите простую процедуру регистрации или авторизируйтесь под своим логином. “акже вы можете войти на сайт, использу€ существующий профиль в социальных сет€х (¬контакте, ќдноклассники, Facebook, Twitter и другие)

 
 
 
 
 
Ќаверх