Ako fungujú pavučiny
Ako pavúky získavajú na sile? Nie je to len o sile samotného hodvábu, tvrdí nová štúdia; spôsob napínania hodvábu a dokonca celá štruktúra pavučiny prispieva k odolnosti proti poškodeniu.
Hodváb, ktorý pavúky používajú na stavbu plachiet, na chytanie koristi a kývanie na vašom strope, je jedným z najsilnejších známych materiálov. Ukázalo sa však, že pavučina nie je tak odolná len vďaka svojej výnimočnej sile materiálu, ale aj vďaka neobvyklej kombinácii sily a roztiahnutia - charakteristickému spôsobu, ako hodváb najskôr zmäknúť a potom stuhnúť, keď je pretiahol. Vedci zistili, že tieto vlastnosti sa líšia v závislosti od použitých síl, ako aj od celkového dizajnu pavučiny.
Markus Buehler, docent civilného a environmentálneho inžinierstva (CEE) na MIT, predtým analyzoval zložitú hierarchickú štruktúru pavúčieho hodvábu a jeho úžasnú silu - pri porovnaní dvoch rovnakých hmotností je pavúčí hodváb viac pevnejšia ako oceľ. Teraz Buehler a kolegovia použili svoj výskum na štruktúru samotnej pavúčej siete a našli dôkazy o vlastnostiach, ktoré robia pavučinu tak elastickou, a tieto vlastnosti spojili s molekulárnou štruktúrou hodvábnych vlákien.
Poučenie z tohto výskumu, tvrdí Buehler, by mohlo pomôcť nielen pri vývoji syntetických materiálov odolnejších voči poškodeniu, ale mohlo by tiež poskytnúť princípy návrhu, ktoré by sa dali aplikovať na sieťové systémy, ako sú či už je to internet alebo elektrická sieť.
Dokument popisujúci nové objavy je uverejnený tento týždeň v Nature. Okrem Buehlerovej štúdie tento príspevok napísali absolventi EHS Steven Cranford a Tarakanova Anna spolu s Pugnom Nicolom z talianskeho Politecnico di Torino.
Zdá sa, že kľúčovou vlastnosťou pavúčieho hodvábu, ktorý pomáha vytvárať silné látky, je niečo, čo sa predtým považovalo za slabinu: spôsob, akým sa môže najskôr natiahnuť a zmäkčiť, keď sa natiahne, a potom znova vytvrdnúť ako sa použitá sila v ťahu zvyšuje.
Táto výstužná reakcia je rozhodujúca pre to, ako pavúčí hodváb odoláva poškodeniu. Buehler a jeho tím sledovali, ako materiály s rôznymi vlastnosťami usporiadané do rovnakého vzoru pavučiny reagujú na sústredený tlak. Zistili, že materiály s inými reakciami - tie, ktoré sa správajú buď ako priama pružina, jednoduché pri natiahnutí, alebo tie, ktoré sa začnú správať elasticky a potom budú „plastickejšie“ - sú oveľa menej účinné.
Zdá sa, že pavučiny úplne vydržia úder bez toho, aby sa zlomili. Poškodenie má tendenciu byť obmedzené na jedno miesto, postihujúce iba niekoľko vlákien - napríklad miesto, kde bol hmyz zachytený v látke a okolo nej. Toto obmedzené poškodenie je možné jednoducho opraviť, nie vymeniť alebo dokonca nechať tak, ako je, ak čepeľ naďalej funguje ako predtým. „Aj keď má veľa nedostatkov, látka v skutočnosti naďalej funguje mechanicky a prakticky rovnako,“ hovorí Buehler. „Je to systém veľmi odolný voči chybám.“
Buehlerov výskum je prevažne teoretický a je založený na počítačovom modelovaní vlastností materiálov a ich reakcie na tlaky. Ale v tomto prípade na otestovanie nálezov použil on a jeho tím doslova pole činnosti: pavučiny prakticky otestovali ich hryzením a lámaním. Vo všetkých prípadoch sa škody obmedzili na oblasť v blízkosti narušeného miesta.
Efekt bol trochu prekvapivý, hovorí Buehler: počiatočnou reakciou bola deformácia celej textílie, pretože nite sa zo začiatku dajú ľahko deformovať. Ale potom, kvôli nelineárnej odozve vlákien, iba vlákna, na ktoré pôsobila sila, podopierali váhu - natiahnutím a potom opäť tuhnutím. Keď sa sila zväčšovala, nakoniec sa rozpadli.
„Bez ohľadu na to, kam potiahnete, sa plátno vždy vydá presne na danom mieste,“ hovorí Buehler. Tento jednoduchý experiment môže vyskúšať ktokoľvek, dodáva: Jednoducho vytrhnite hodvábnu niť z pavučiny a mala by sa pretrhnúť iba tam, kde je ťahaná. Naopak u textílie vyrobenej z materiálu s rovnomernejšou odozvou v ťahu spôsobuje miestny tlak rozsiahlejšie škody.
Naopak pri silnom vetre pomáha plátno prežiť počiatočná tuhosť hodvábu. Plátno v Buehlerovej simulácii dokázalo pred rozbitím tolerovať vietor až do sily hurikánu.
Inžinieri majú tendenciu zameriavať sa na materiály s rovnomernými lineárnymi reakciami, tvrdí Buehler, pretože ich vlastnosti sa dajú oveľa ľahšie vypočítať. Ale táto štúdia naznačuje, že môžu existovať dôležité výhody materiálov so zložitejšími odpoveďami. Napríklad pri neobvyklých reakciách pavúčieho hodvábu - spočiatku tuhý, potom elastický a potom opäť tuhý - „má každý kúsok tohto zábavného správania zásadnú úlohu pri vytváraní plátna rovnako silným,“ hovorí. konečný výkon, meraný po bode zlomu, sa v aplikáciách v reálnom svete často chová veľmi odlišne. „Efektívny výkon nie je taký dôležitý, dôležité je, ako ste sa tam dostali,“ hovorí.
Podľa Buehlera môže byť základným princípom umožnením obmedzeného poškodenia, aby mohla všeobecná štruktúra prežiť, viesť stavebný inžinier. Napríklad budovy odolné voči zemetraseniu sú všeobecne určené na ochranu celej budovy rozptýlením energie a znížením zaťaženia konštrukcie. Keď sa vzdajú, majú tendenciu robiť to úplne.
Nový dizajn by mohol umožniť pádom, aby sa ohli do určitej miery, a potom by sa mohli najskôr zlomiť určité konštrukčné prvky, čo by umožnilo prežiť zvyšku konštrukcie; to by mohlo umožniť, aby sa budovy nakoniec skôr opravovali ako búrali. Podobné zásady by sa mohli vzťahovať na konštrukciu lietadiel alebo obrnených vozidiel, ktoré by mohli odolať miestnemu poškodeniu a naďalej fungovať.
Takéto „obetné prvky“ sa môžu použiť nielen pre fyzické objekty, ale aj pri návrhu sieťových systémov: napríklad počítač, ktorý by čelil vírusovému útoku, by mohol byť navrhnutý tak, aby sa vypol bezprostredne pred rozšírením problémov. Potom sa jedného dňa mohla World Wide Web prakticky skonsolidovať vďaka ponaučeniam zo záhradnej verzie, ktorá inšpirovala jej názov (web = plátno).
„Je to skutočná šanca,“ hovorí Buehler. „Otvára sa nový dizajnový variant pre strojárstvo.“
David Kaplan, profesor inžinierstva na Tuftsovej univerzite a riaditeľ jej Centra pre biologické inžinierstvo, označuje zistenia za „celkom podmanivé“. Hovorí: „Kombinácia modelovania a experimentovania robí toto obzvlášť atraktívnym ako platforma pre štúdium a výskum v oblasti navrhovania materiálov a spôsobov zlyhania všeobecne, so zreteľom na štrukturálnu hierarchiu.“
„Verím, že tieto princípy budú mať vplyv na širokú škálu oblastí, ako je medicína, budúce materiály a architektúra,“ dodáva Philip Leduc, profesor strojárstva na Carnegie Mellon University.
Tieto práce a štúdie podporili Úrad pre námorný výskum, Národná vedecká nadácia, Úrad pre výskum armády a Program MIT - Taliansko.
Článok je prekladom článku Ako pavučiny dosahujú svoju silu, ktorý je zverejnený na webovej stránke.mit.edu.
Preklad: Anamaria Spătaru
Môžete komentovať pomocou účtu na webe, prostredníctvom FB, Twitteru alebo Google alebo ako návštevník (bez registrácie). Pre návštevníkov sú komentáre mierne (schválené správcom).