Як працює павутиння
Як павутиння набирає силу? Мова йде не лише про силу самого шовку, зазначається в новому дослідженні; те, як шовк розтягується, і навіть вся структура павутини сприяє стійкості до пошкоджень.
Шовк, за допомогою якого павуки будують вітрила, ловлять здобич і гойдаються на вашій стелі, - один із найміцніших відомих матеріалів. Але виявляється, що не просто виняткова міцність матеріалу робить павутину такою еластичною, а незвичайне поєднання міцності та розтягнутості матеріалу - характерний спосіб, що шовк спочатку розм’якшується, а потім застигає розтягнуто. Вчені виявили, що ці властивості змінюються залежно від прикладених сил, а також загального дизайну павутинної павутини.
Маркус Бюлер, доцент цивільної та екологічної інженерії (ЦСЄ) в Массачусетському технологічному інституті, раніше аналізував складну, ієрархічну структуру шовкового павука та його дивовижну силу - порівняння двох рівних мас, павучий шовк міцніше сталі. Зараз Бюлер та його колеги застосували свої дослідження до самої структури павутинних павутин, знаходячи докази властивостей, які роблять павутинні павутиння такими пружними, і пов’язують ці властивості з молекулярною структурою шовкових волокон.
Уроки, отримані в результаті цього дослідження, говорить Бюлер, можуть не тільки допомогти у розробці більш стійких до пошкоджень синтетичних матеріалів, але також можуть забезпечити принципи проектування, які можуть бути застосовані до мережевих систем, таких як будь то Інтернет або електрична мережа.
Стаття, що описує нові висновки, опублікована цього тижня у журналі Nature. На додаток до дослідження Бюлера, цей документ був написаний випускниками ЄЕС Стівеном Кранфордом та Таракановою Анною разом з Пуньо Ніколою з Політехнічного університету в Турині в Італії.
Здається, ключовою властивістю шовкового павука, який допомагає створювати міцні полотна, є те, що раніше вважалося слабким місцем: спосіб, яким він може спочатку розтягуватися і пом’якшуватися при розтягуванні, а потім знову твердіти, із збільшенням прикладеної сили розтягування.
Ця реакція жорсткості має вирішальне значення для того, як шовковий павук протистоїть пошкодженням. Бюлер та його команда розглядали, як матеріали з різними властивостями, розташовані в одному павутинному павутині, реагують на сфокусований тиск. Вони виявили, що матеріали з іншими реакціями - ті, що поводяться або як пряма пружина, проста при розтягуванні, або ті, які починають з пружної поведінки, а потім стаючи більш «пластичними» - набагато менш ефективні.
Павутиння, здається, може повністю витримати удар, не зламавшись. Пошкодження, як правило, обмежуються одним місцем, зачіпаючи лише кілька ниток - наприклад, місце, де комаха потрапила в тканину та навколо неї. Ці незначні пошкодження можна просто відремонтувати, а не замінити, або навіть залишити так, якби лезо продовжувало працювати як раніше. "Незважаючи на те, що у нього є багато недоліків, тканина насправді продовжує працювати механічно і практично однаково", - говорить Бюлер. "Це дуже стійка до несправностей система".
Дослідження Бюлера в основному теоретичні, засновані на комп'ютерному моделюванні властивостей матеріалів та того, як вони реагують на тиск. Але в цьому випадку, щоб перевірити висновки, він та його команда буквально використовували сферу діяльності: вони практично випробовували павутиння, кусаючи та ламаючи їх. У всіх випадках збитки обмежувались територією поблизу порушеної ділянки.
Ефект був дещо дивовижним, каже Бюлер: початковою реакцією була деформація всієї тканини, оскільки нитки спочатку відносно легко деформувати. Але тоді, через нелінійну реакцію волокон, лише нитки, де застосовували силу, підтримували вагу - розтягуванням, потім знову стаючи жорсткими. Зі збільшенням сили вони врешті-решт розпалися.
"Куди б ви не потягли, полотно завжди буде давати саме там," говорить Бюлер. Будь-хто може спробувати цей простий експеримент, додає він. Просто вирвіть шовкову нитку з павутинної павутини, і вона повинна розірватися лише там, де її натягнуть. На відміну від тканини, виготовленої з матеріалу з більш рівномірною реакцією на розтяг, місцевий тиск завдає більш широких збитків.
З іншого боку, при сильному вітрі полотно допомагає вижити полотні. Полотно за імітацією Бюлера змогло переносити вітри до сили урагану до зриву.
Інженери, як правило, зосереджуються на матеріалах з рівномірною лінійною характеристикою, каже Бюлер, оскільки їх властивості обчислювати набагато простіше. Але це дослідження припускає, що можуть бути важливі переваги матеріалів із більш складними відповідями. Наприклад, у незвичних реакціях шовкового павука - спочатку жорстким, потім еластичним, потім знову жорстким - "кожен шматочок цієї кумедної поведінки відіграє фундаментальну роль у зробінні полотна таким же міцним", - говорить він. Кінцева потужність, виміряна після точки перерви, часто поводиться по-різному в реальних додатках. "Ефективна потужність не настільки важлива, важливо лише те, як ви туди потрапили", - говорить він.
Основний принцип дозволу обмеженого збитку, щоб загальна конструкція могла вижити, говорить Бюлер, може в кінцевому підсумку орієнтувати будівельних інженерів. Наприклад, землетрусостійкі будівлі, як правило, призначені для захисту всієї будівлі, розсіюючи енергію, зменшуючи навантаження на конструкцію. Коли вони поступаються, вони, як правило, роблять це цілком.
Нова конструкція може дозволити падінням згинатися до точки, а потім певні структурні елементи можуть спочатку зламатися, дозволяючи решті конструкції вижити; це може дозволити будівлям в кінцевому підсумку відремонтувати, а не зруйнувати. Подібні принципи можуть застосовуватися до конструкції літальних апаратів або броньованих машин, які могли б протистояти місцевим пошкодженням і продовжувати працювати.
Такі "жертвоприносні елементи" можуть використовуватися не тільки для фізичних об'єктів, але й при проектуванні мережевих систем: наприклад, комп'ютер, який зазнає вірусної атаки призначений для вимкнення безпосередньо перед розповсюдженням проблем. Потім, одного разу Всесвітню павутину можна було практично закріпити завдяки урокам, отриманим із садової версії, яка надихнула її назву (web = полотно).
"Це реальний шанс", - говорить Бюлер. "Відкривається новий варіант дизайну для техніки".
Девід Каплан, професор техніки в Університеті Тафтса та директор Центру біологічної інженерії, називає висновки "досить захоплюючими". Він каже: "Поєднання моделювання та експериментів робить це особливо привабливим як платформа для вивчення та досліджень при проектуванні матеріалів та режимах відмов загалом, маючи на увазі структурну ієрархію".
"Я вважаю, що ці принципи матимуть вплив у широкому діапазоні областей, таких як медицина, майбутні матеріали та архітектура", - додає Філіп Ледук, професор машинобудування з Університету Карнегі-Меллона.
Ці статті та дослідження були підтримані Бюро морських досліджень, Національним науковим фондом, Армійським дослідницьким бюро та програмою MIT-Італія.
Стаття є перекладом статті «Як павутиння досягає своєї сили», опублікованої на веб-сайті.mit.edu.
Переклад: Анамарія Спатару
Ви можете коментувати використання облікового запису на сайті, FB, Twitter або Google або як відвідувач (без реєстрації). Для відвідувачів коментарі помірні (схвалено адміністратором).