Како функционираат пајаковите мрежи
Како пајаковите мрежи добиваат сила? Не станува збор само за моќта на самата свила, се вели во новата студија; начинот на кој се протега свилата, па дури и целата структура на пајаковата мрежа придонесува за отпорност на оштетување.
Свилата што ја користат пајаците за да ги градат своите едра, да фатат плен и да се нишаат на вашиот таван е еден од најсилните познати материјали. Но, излегува дека не е само исклучителната цврстина на материјалот што ја прави пајаковата мрежа толку еластична, туку необичната комбинација на цврстина и истегнување на материјалот - карактеристичен начин свилата прво да омекне, а потоа да се зацврсти кога е се протегала. Научниците откриле дека овие својства варираат во зависност од применетите сили, како и целокупниот дизајн на пајаковата мрежа.
Маркус Буелер, вонреден професор по нискоградба и инженерство на животна средина (ЦИЕ) на МИТ, претходно ја анализирал сложената, хиерархиска структура на пајаковата свила и нејзината неверојатна моќ - споредувајќи две еднакви маси, пајакот е повеќе посилен од челик. Сега, Булер и неговите колеги ги применија своите истражувања за структурата на самата пајакова мрежа, наоѓајќи докази за својствата што ја прават пајаковата мрежа толку еластична и ги поврзуваат овие својства со молекуларната структура на свилените влакна.
Лекциите научени од ова истражување, вели Бухлер, не само што може да помогне во развивање на повеќе отпорни на штети синтетички материјали, туку исто така може да обезбеди принципи на дизајн што може да се применат на мрежните системи, како на пр. било да е тоа Интернет или електрична мрежа.
Труд што ги опишува новите откритија е објавен оваа недела во Nature. Во прилог на студијата на Булер, овој труд го напишаа дипломираните студенти на ЕЕЗ Стивен Кранфорд и Тараканова Ана, заедно со Пугна Никола од Политехнико ди Торино во Италија.
Се чини дека клучното својство на пајаковата свила, што помага да се создадат силни мрежи, е нешто што претходно се сметаше за слабост: како може да се истегне и омекне на почетокот кога ќе се истегне, а потоа повторно да се стврдне, на како што се зголемува применетата сила на истегнување.
Овој одговор на зацврстување е клучен за тоа како пајакот свила се спротивставува на оштетувањето. Булер и неговиот тим разгледаа како материјалите со различни својства, распоредени во иста шема на пајажина, реагираат на фокусиран притисок. Откриле дека материјалите со други одговори - оние што се однесуваат или како права пружина, едноставни кога се протегаат, или оние кои започнуваат со еластично однесување, а потоа стануваат се повеќе „пластични“ - се многу помалку ефикасни.
Пајаковите мрежи, се чини, можат целосно да издржат удар без да се скршат. Штетата има тенденција да биде ограничена на едно место, влијаејќи само на неколку навои - на местото каде што бил фатен инсект и околу крпата, на пример. Оваа ограничена штета може едноставно да се поправи, наместо да се замени, па дури и да се остави како што е ако сечилото продолжи да работи како порано. „И покрај тоа што има многу недостатоци, ткаенината всушност продолжува да работи механички и практично на ист начин“, вели Буелер. „Тоа е многу толерантен систем на грешки.
Истражувањето на Булер е во голема мерка теоретско, засновано врз компјутерско моделирање на својствата на материјалите и како тие реагираат на притисоците. Но, во овој случај, за да ги тестираат наодите, тој и неговиот тим буквално го користеле полето на активност: тие практично ги тестирале пајаковите мрежи со гризење и кршење на истите. Во сите случаи, штетата беше ограничена на областа во близина на вознемиреното место.
Ефектот беше нешто изненадувачки, вели Буелер: првичниот одговор беше деформација на целата ткаенина, бидејќи конците првично се релативно лесни за деформација. Но, тогаш, поради нелинеарната реакција на влакната, само темите каде што се применуваше сила ја поддржуваа тежината - со истегнување, а потоа повторно стануваат крути. Како што се зголемувала силата, тие на крајот се распаднале.
„Без оглед каде ќе се повлечете, платното секогаш ќе дава точно на тоа место“, вели Буелер. Секој може да го испроба овој едноставен експеримент, додава тој: Едноставно извадете свилена нишка од пајакова мрежа и треба да се скрши само таму каде што се повлекува. Во ткаенина направена од материјал со поединечна реакција на истегнување, напротив, локалниот притисок предизвикува пораширена штета.
Од друга страна, при силен ветер првичната вкочанетост на свилата е она што му помага на платното да преживее. Платното во симулацијата на Булер беше во можност да толерира ветрови до силата на ураганот пред да се скрши.
Инженерите имаат тенденција да се фокусираат на материјали со униформни, линеарни одговори, вели Буелер, бидејќи нивните својства се многу полесни за пресметување. Но, оваа студија сугерира дека може да има важни предности на материјалите со посложени одговори. Во невообичаените одговори на пајаковата свила, на пример - првично тврда, потоа еластична, па повторно вкочанета - „секој дел од тоа смешно однесување има основна улога во правењето на платното исто толку силно“, вели тој. Конечната моќност честопати е многу различна во реалните апликации. „Ефективната моќност не е толку важна, важно е како ќе стигнете таму“, вели тој.
Основниот принцип на дозволување на ограничена штета за да може општата структура да преживее, вели Буелер, на крајот може да ги води градежните инженери. На пример, зградите отпорни на земјотреси се генерално дизајнирани да ја штитат целата зграда со дисипација на енергија, намалувајќи го товарот на конструкцијата. Кога ќе попуштат, тие имаат тенденција да го сторат тоа целосно.
Новиот дизајн може да дозволи падовите да се повлечат до одредена точка, а потоа одредени структурни елементи може да се скршат прво, дозволувајќи им на преостанатиот дел од структурата; ова може да дозволи зградите на крајот да се санираат наместо да се рушат. Слични принципи може да важат и за дизајнот на авиони или оклопни возила кои можат да издржат локално оштетување и да продолжат да работат.
Таквите „жртвени елементи“ не можат да се користат само за физички предмети, туку и за дизајнирање мрежни системи: на пример, компјутер што би се соочил со напад на вирус, може да биде дизајниран да се исклучи непосредно пред да се прошират нејзините проблеми. Потоа, еден ден Светската мрежа може практично да се консолидира благодарение на научените лекции од верзијата на градината што го инспирираше нејзиното име (веб = платно).
„Тоа е вистинска шанса“, вели Булер. „Се отвора нова варијанта на дизајнот за инженерство.
Дејвид Каплан, професор по инженерство на Универзитетот Тафтс и директор на неговиот Центар за биолошко инженерство, ги нарекува наодите „прилично воодушевувачки“. Тој вели: „Комбинацијата на моделирање и експериментирање го прави ова особено привлечно како платформа за студија и истражување во дизајнот на материјали и режимите на неуспех воопшто, имајќи ја предвид структурната хиерархија“.
„Овие принципи, верувам, ќе имаат влијание во широк опсег на области, како што се медицината, идните материјали и архитектурата“, додава Филип Ледук, професор по машинско инженерство на Универзитетот Карнеги Мелон.
Овие трудови и студии беа поддржани од Бирото за морнаричко истражување, Националната научна фондација, Армијата за истражување и програмата МИТ-Италија.
Написот е превод на статијата Како пајаковите мрежи ја постигнуваат својата сила, објавено на веб-страницата.mit.edu.
Превод: Анамарија Спатару
Можете да коментирате користејќи ја сметката на страницата, од ФБ, Твитер или Гугл или како посетител (без регистрација). За посетителите, коментарите се умерени (одобрени од администраторот).