Hogyan működnek a pókhálók
Hogyan nyerhetnek erőt a pókhálók? Ez nem csak a selyem erejéről szól - állítja egy új tanulmány; a selyem nyújtásának módja, sőt a pókháló teljes szerkezete is hozzájárul a károsodás elleni ellenálláshoz.
A selyem, amelyet a pókok a vitorlájuk megépítéséhez, zsákmány elkapásához és a mennyezeten ringatásához használnak, az egyik legerősebb anyag. De kiderült, hogy nem egyszerűen az anyag rendkívüli ereje teszi ilyen ellenállóvá a pókhálót, hanem az anyag szilárdságának és nyújtásának szokatlan kombinációja - a selyem jellegzetes módja annak, hogy előbb megpuhuljon, majd megmerevedjen. kinyújtva. A tudósok megállapították, hogy ezek a tulajdonságok az alkalmazott erőktől, valamint a pókháló általános kialakításától függően változnak.
Markus Buehler, az MIT polgári és környezettechnikai (CEE) docense korábban a pók selyem összetett, hierarchikus felépítését és csodálatos erejét elemezte - két egyenlő tömeg összehasonlításával a pók selyem sokkal inkább erősebb, mint az acél. Most Buehler és munkatársai kutatásukat magának a pókhálónak a szerkezetére alkalmazták, és bizonyítékokat találtak azokra a tulajdonságokra, amelyek a pókhálót olyan rugalmassá teszik, és ezeket a tulajdonságokat a selyemrostok molekulaszerkezetével társítják.
A kutatásból levont tanulságok - mondja Buehler - nemcsak a sérülésekkel szemben ellenállóbb szintetikus anyagok kifejlesztésében segíthetnek, hanem olyan tervezési elveket is biztosíthatnak, amelyek alkalmazhatók a hálózati rendszerekre, mint pl. legyen az internet vagy elektromos hálózat.
Az új megállapításokat leíró cikk a héten jelenik meg a Nature-ben. Buehler tanulmánya mellett ezt a cikket Steven Cranford és Tarakanova Anna, az EGK-ban végzett hallgatók, valamint az olasz Politecnico di Torino Pugno Nicola írták.
Úgy tűnik, hogy a pókselyem kulcsfontosságú tulajdonsága, amely elősegíti az erős szövedékek kialakulását, korábban gyengeségnek számított: az, ahogyan nyújtáskor először megnyúlik és megpuhul, majd újra keményedik ahogy az alkalmazott húzóerő növekszik.
Ez a merev válasz rendkívül fontos annak eldöntésében, hogy a pók selyem miként áll ellen a károsodásnak. Buehler és csapata megvizsgálta, hogy a különböző tulajdonságokkal rendelkező anyagok, ugyanabban a pókháló-mintában elrendezve, hogyan reagálnak a koncentrált nyomásra. Megállapították, hogy más válaszokkal rendelkező anyagok - azok, amelyek vagy egyenes rugóként viselkednek, nyújtáskor egyszerűek, vagy amelyek rugalmasan viselkednek, majd "műanyagabbá" válnak, sokkal kevésbé hatékonyak.
A pókhálók, úgy tűnik, teljes mértékben képesek ellenállni egy ütésnek, törés nélkül. A kár általában egy helyre korlátozódik, és csak néhány szálat érint - például azt a helyet, ahol rovart fogtak be a szövetbe és annak környékére. Ez a korlátozott sérülés egyszerűen kijavítható, nem pedig cserélhető, vagy akár meg is maradhat, ha a penge továbbra is úgy működik, mint korábban. "Annak ellenére, hogy sok hibája van, a szövet valójában továbbra is mechanikusan és gyakorlatilag ugyanúgy működik" - mondja Buehler. "Ez egy nagyon hibatűrő rendszer."
Buehler kutatása nagyrészt elméleti, az anyagok tulajdonságainak számítógépes modellezésén és azon alapul, hogy miként reagálnak a nyomásra. De ebben az esetben a megállapítások tesztelésére ő és csapata szó szerint a tevékenységi területet használta: gyakorlatilag a pókhálót harapva és feltörve tesztelték. A kár minden esetben a zavart szenvedett hely közelében található területre korlátozódott.
A hatás némileg meglepő volt, mondja Buehler: a kezdeti válasz a teljes szövet deformációja volt, mivel a szálak kezdetben viszonylag könnyen deformálódnak. De a szálak nemlineáris reakciója miatt csak azok a szálak támasztják alá a súlyt, ahol erőt fejtettek ki - nyújtással, majd ismét merevé válva. Az erő növekedésével végül szakítottak.
"Nem számít, hová húzza, a vászon mindig pontosan azon a helyen fog hézagolni" - mondja Buehler. Bárki kipróbálhatja ezt az egyszerű kísérletet, hozzáteszi: Egyszerűen szedjen le egy selyemfonalat egy pókhálóból, és csak ott szakadjon meg, ahol húzza. Ezzel szemben egy egységesebb szakítószilárdságú anyagból készült szövetben a helyi nyomás szélesebb körű károsodást okoz.
Erős szélben viszont a selyem kezdeti merevsége az, ami elősegíti a vászon túlélését. Buehler szimulációjának vászonja képes volt elviselni a hurrikán erejéig terjedő szelet, mielőtt betört volna.
A mérnökök általában az egységes, lineáris válaszokkal rendelkező anyagokra koncentrálnak, mondja Buehler, mert tulajdonságaik sokkal könnyebben kiszámíthatók. De ez a tanulmány azt sugallja, hogy a bonyolultabb válaszokkal rendelkező anyagok fontos előnyei lehetnek. Például a pókselyem szokatlan válaszaiban - kezdetben merev, majd rugalmas, majd ismét merev - "ennek a vicces viselkedésnek minden apró része alapvető szerepet játszik abban, hogy a vászon ugyanolyan erős legyen" - mondja. A töréspontjuk után mért végső teljesítmény gyakran nagyon másképp viselkedik a valós alkalmazásokban.
A korlátozott károk megengedésének alapelve, hogy egy általános szerkezet fennmaradhasson, Buehler szerint az építőmérnököket vezetheti. Például a földrengésnek ellenálló épületeket általában úgy tervezik, hogy az egész épületet megvédjék az energia elvezetésével, csökkentve a szerkezet terhelését. Amikor feladják, hajlamosak erre teljesen.
Egy új kialakítás lehetővé teheti az esések egy pontra hajlítását, majd egyes szerkezeti elemek előbb megtörhetnek, lehetővé téve a szerkezet többi részének fennmaradását; ez lehetővé teheti az épületek végső javítását, nem pedig lebontását. Hasonló elvek vonatkozhatnak olyan repülőgépek vagy páncélozott járművek tervezésére is, amelyek képesek ellenállni a helyi károknak és tovább működnek.
Az ilyen "áldozati elemeket" nem csak fizikai objektumokhoz lehet használni, hanem a hálózati rendszerek tervezésénél is: például egy vírustámadással szembesülő számítógép úgy tervezték, hogy közvetlenül a probléma terjedése előtt leálljon. Aztán egy nap a világháló gyakorlatilag megszilárdulhat a nevét inspiráló kerti verzió tanulságainak köszönhetően (web = vászon).
"Ez egy igazi esély" - mondja Buehler. "Új mérnöki tervezési változat nyílik."
David Kaplan, a Tufts Egyetem mérnöki professzora és Biológiai Mérnöki Központjának igazgatója "meglehetősen magával ragadónak" nevezi a megállapításokat. Azt mondja: "A modellezés és a kísérletezés kombinációja ezt különösen vonzóvá teszi az anyagok és általában a meghibásodási módok tervezésének tanulmányi és kutatási platformjaként, szem előtt tartva a strukturális hierarchiát."
"Úgy gondolom, hogy ezek az elvek számos területen hatással lesznek, például az orvostudományra, a jövőbeni anyagokra és az építészetre" - teszi hozzá Philip Leduc, a Carnegie Mellon Egyetem gépészmérnöki professzora.
Ezeket a tanulmányokat és tanulmányokat a Haditengerészeti Kutatási Iroda, a Nemzeti Tudományos Alapítvány, a Hadsereg Kutatási Iroda és az MIT-Olaszország Program támogatta.
A cikk annak a cikknek a fordítása, hogy miként érik el a pókhálók erejüket, amely a www.mit.edu weboldalon jelent meg.
Fordítás: Anamaria Spătaru
Hozzászólhat a fiók használatát az oldalon, az FB, a Twitter vagy a Google által, vagy látogatóként (regisztráció nélkül). A látogatók számára a megjegyzések mérsékeltek (admin jóváhagyta).