гекконы удерживаются на вертикальных поверхностях за счет
Физика в мире животных: лапа геккона
Фото: Wikimedia
Гекконы — обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность — они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой — дерево, скальная порода, даже полированное стекло.
На способность геккона крепко держаться за что угодно обращали внимание еще древние греки. Аристотель пытался понять принцип закрепления лапы ящерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. Изучают их и в наше время. Есть несколько теорий, объясняющих выдающиеся способности этих ящериц в «альпинизме».
Присоски на пальцах. Одно из первых объяснений, которое выглядело вполне логичным. Правда, после изучения лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет. К сожалению, миф о присосках живет и по сей день.
Электростатика. Еще одно правдоподобное объяснение, которое удалось опровергнуть (хотя есть и некоторые подтверждения этой теории, о них поговорим ниже), создав условия, при которых заряда на лапах геккона просто не могло быть. Животное все равно крепко держалось на гладкой поверхности.
Опровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Немецкий ученый Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, который держался на металлической поверхности. Ионизация, по мнению Деллита, должна была нейтрализовать или значительно уменьшить силу сцепления лап с поверхностью, если бы механизм сцепления имел электрическую природу. Этого не произошло, поэтому был сделан вывод, что гекконы используют что-то еще.
Канадский ученый Александр Пенлидис считает, что этот эксперимент был некорректным. Дело в том, что контакт между лапами геккона и поверхностью чрезвычайно тесен, вследствие чего ионизированные молекулы просто не в состоянии проникнуть между сверхмалыми структурами лап и поверхности и нейтрализовать взаимодействие.
Сцепление лап геккона с неровностями поверхности. Это объяснение тоже не подходит, поскольку гекконы могут передвигаться по вертикальной поверхности из полированного стекла. Более того, они могут передвигаться и по потолку из того же материала.
Фото: wikipedia
а. Лапка геккона б. «Подушечка» пальца геккона под микроскопом в. Одна из щетинок лапы геккона г. Она же, под бОльшим увеличением д. Максимальное увеличение щетинки (фото: somuchnews)
Как оказалось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепляются с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил. Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. Основу ван-дер-ваальсовых сил составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Именно такую систему и составляет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.
Сложное строение лапы обеспечивает и еще одно ее свойство — гидрофобность. Лапа отталкивает воду и грязь, благодаря чему геккон может неплохо передвигаться и по влажным поверхностям.
Геккон без проблем открепляет лапу от поверхности, на которой она закреплена. Для этого используется специальный механизм. Дело в том, что прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может без труда открепиться, если угол между волокном и поверхностью составит более 30°. При движении, изменяя угол соприкосновения лапы и поверхности, геккон без труда закрепляет и открепляет лапы. Затраты энергии на этот процесс минимальны.
Силы Ванд-дер-ваальса или что-то еще?
Два года назад канадский ученый Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) решил самостоятельно изучить механизм прилипания лап геккона к поверхностям. Как оказалось, при соприкосновении лапы и поверхности возникает обмен электрическими зарядами. В итоге образуется положительный электростатический заряд у лапы и отрицательный — у поверхности.
Пенлидис ставил эксперимент с двумя типами полимерных поверхностей — тефлоном AF и полидиметилсилоксаном. Согласно выводам, сделанным ученым по результатам исследования, сила адгезии коррелировала с величиной электростатического заряда лапы и поверхности. А из этого следует, что именно электрический заряд играет главную роль в сцеплении лапы с поверхностями.
Исследование интересное, но оно не отвечает на важный вопрос — каким образом геккон держится на очень неровных поверхностях, где обеспечить адгезию с использованием электрического заряда гораздо сложнее, чем на ровной поверхности. Возможно, лапы геккона имеют двойной механизм сцепления — и силы ван-дер-ваальса, и электрический заряд.
Влияние воды
В подавляющем большинстве случаев ученые проводили эксперименты с гекконами в сухой среде. Ученые из Акронского университета решили проверить, насколько хорошо ящерица может перемещаться по увлажненным поверхностям. Как оказалось, если распылить на стеклянную пластину воду, то животное держится на такой поверхности гораздо хуже, чем на той же пластине без капель воды.
Тем не менее, удержаться на влажной поверхности геккону удается. Но если пластину погрузить на небольшую глубину в воду, а геккона снова поместить на пластину, то ящерица не может удержаться на поверхности в таких условиях. Если погрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а затем посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепиться.
По мнению Алиссы Старк (Alyssa Stark) из Акронского университета, это объясняется тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового взаимодействия, и лапы геккона не могут 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 сильнее эта пружина. Благодаря этому механизму в любой поверхности отлично держатся и крупные виды гекконов, а не только их мелкие родственники.
Несмотря на то, что Александр Пенлидис смог доказать влияние электрического заряда на адгезионную способность лап геккона, большинство специалистов поддерживают все же точку зрения о механизме сцепления на основе сил ван-дер-ваальса. Сейчас ученые пытаются объяснить еще одну интересную проблему — происхождение этого механизма в процессе эволюции.
Суперсила пригодилась гекконам для приземления после прыжка
Биологи из США выяснили, зачем гекконам такой большой запас прочности по «прилипанию» к поверхностям. Если геккон сидит на ровной вертикальной стене, силы адгезии его лапок достаточно, чтобы удержать в сто раз больший вес. Однако если геккон в своей естественной среде обитания прыгнет и приземлится на лист дерева, этот запас ему очень пригодится. Ученые смоделировали прыжок геккона и рассчитали, что в реальной ситуации силы адгезии едва хватит на то, чтобы зацепиться при приземлении. Научная статья с расчетами опубликована в журнале Journal of The Royal Society Interface.
Гекконы обладают уникальной способностью удерживаться на отвесных поверхностях благодаря особому устройству лапок. Подушечки на лапках гекконов покрыты микроволосками и крючками, которые взаимодействуют с поверхностью посредством сил Ван-дер-Ваальса. На идеально ровных поверхностях, таких как стекло и акрил, сила сцепления превышает силу, необходимую чтобы удержать вес геккона, на несколько порядков. Этот факт удивляет инженеров, но не биологов, которые представляют себе, что в естественных условиях обитания гекконы вынуждены передвигаться по гораздо менее ровным поверхностям.
Разнообразие поверхностей, по которым передвигаются гекконы
Niewiarowski et al / Journal of Experimental Biology 2016
Ученые предположили, что мощный адгезионный аппарат развился у гекконов в процессе эволюции в похожих условиях, и решили подсчитать, какую нагрузку испытывают лапки репохвостого геккона при приземлении из свободного падения. Авторы учли максимум факторов – вес животных, аэродинамику падения, углы, под которыми геккон цепляется за листья, упругость веточек. Симуляция полетов показала, что, если в покое на ровной поверхности фактор сцепления равен 100, то при приземлении из прыжка он варьирует от 10 до значения меньше единицы, то есть геккону едва хватает сил, чтобы удержать свой вес там, где он пытается зацепиться.
Силы, действующие на геккона и на поверхность, при попытке удержаться на листе дерева
Higham et al / Journal of The Royal Society Interface 2017
Ученые объяснили удивительные свойства лап ящерицы
И вот теперь исследователи обратили внимание на ящерицу геккона, чьи способности легли в основу идеи нового клейкого материала. Группа ученых из Калифорнийского университета в Беркли смогла воссоздать технологию, позволяющую геккону держаться и быстро передвигаться по вертикальной поверхности, а также не падать, находясь на потолке.
Оказывается, секрет прилипчивости геккона заключается в уникальном строении его подошвы. Лапки ящерок покрыты крошечными волосками, каждый из которых как бы присасывается к поверхности, позволяя легкому геккону удерживаться на любой вертикальной плоскости. Пальцы у этих представителей семейства цепкопалых снабжены снизу расширенными пластинками, на которых поперечными рядами располагаются особые щеточки, состоящие из многовершинных волосков всего 80-90 микрон в длину и 8-10 микрон в диаметре.
С помощью электронного микроскопа было подсчитано, что на одном только пальце европейского стенного геккона (Tarentola mauritanica) расположено свыше 200 млн таких щеточек, каждая из которых слагается из бесчисленного
множества отдельных волосков. Благодаря своим микроскопическим размерам эти крючкообразные выросты способны охватывать мельчайшие неровности субстрата, что в сочетании с когтями позволяет ящерицам легко передвигаться по гладким наклонным и вертикальным поверхностям. Сила сцепления при этом настолько велика, что, удерживаясь одним-единственным пальцем, животное способно висеть на вертикально поставленном стекле. А у некоторых гекконов подобные приспособления расположены еще и на внутренней стороне хвоста. Между тем ученые установили, что на абсолютно гладких, лишенных неровностей, отшлифованных поверхностях гекконы удерживаться не в состоянии, что опровергает, в частности, широко распространенное мнение о присасывательной способности их пальцевых пластинок.
Между тем исследователи из Беркли применили имеющиеся знания для воплощения технологии прилипчивости геккона на практике. Ученые получили новый клеящийся материал, который
легко прилипает к любой поверхности, также легко отлипает от нее и выдерживает большую нагрузку. Так, 2 кв. см клейкой ленты удерживают до 400 г, не отлепляясь и не соскальзывая. Эта липучка состоит из миллионов маленьких пластиковых волокон длиной 15-20 микрометров и диаметром 0,6 микрометра. Материал прилипает к плоскости не под давлением, как обычный скотч, а при скольжении по касательной. Волокна наклоняются, резко увеличивая площадь соприкосновения липучки с поверхностью, за счет чего прочность связи возрастает. А так как липучка не пропитана какими-либо клейкими составами, ее можно использовать многократно. Ведь после того как лента отлепляется, ворсинки принимают обычное положение и липучка вновь приходит в состояние «боеготовности».
всего: 6503 / сегодня: 2
Комментарии /1
После 22:00 комментарии принимаются только от зарегистрированных пользователей ИРП «Хутор».