Svet fyziky Prečo sa jemné krídla hmyzu nelámú

Dörte Saße 29.08.2012

Dublin (Írsko) - Jemná mriežka, ktorá prechádza krehkými krídlami vážok, múch alebo dokonca kobyliek, má dvojaké použitie: Konštrukcie sú nielen ľahké a stabilné, ale tiež bránia vážnemu zlomeniu krídla, pretože vytvárajú najjemnejšie praskliny. zastaví v počiatočných fázach. Kožná membrána medzi mriežkou, ktorá tvorí skutočné krídlo, je tenšia, ako sa očakávalo, uvádza výskumný tím v časopise „PLoS ONE“ po tom, čo krídla kobyliek podrobil mechanickým záťažovým testom. Ale na rozdiel od kostí nemôže membrána dorásť, keď sa roztrhne. Sú však typické pre život hmyzu v dôsledku bojov, opotrebovania alebo únavy materiálu. Namiesto toho zjavne optimálne rozvetvená mriežka podľa vedcov spomaľuje šírenie škôd.

prečo

Membránové bunky krídla kobylky

„Pusté kobylky sú maratónskymi letcami sveta hmyzu,“ vysvetľuje Jan-Henning Dirks z technického oddelenia na Trinity College v Dubline. „Môžu lietať celé dni nad púšťami a oceánmi s krídlami, ktoré sú desaťkrát tenšie ako ľudský vlas.“ V tíme Pred chvíľou ukázal svojmu kolegovi Davidovi Taylorovi, že pokožka nôh kobylky je jedným z najtvrdších prírodných materiálov na svete. Skladá sa hlavne z amorfných, pevne prepojených proteínov a chmeľom sa takmer nikdy nepoškodí.

Keďže krídla kobylky púštnej (Schistocerca gregaria) pozostávajú aj z tejto - iba tenšej - kože, vedci vyrezali do tejto membrány, ktorá má hrúbku iba 1,7 až 3,7 mikrometra, malé zárezy. Potom zmerali silu, ktorá by bola potrebná na vyrazenie takejto trhliny celým krídlom. Samotná pokožka membrány sa však ukázala ako nie veľmi deštruktívna. Videá z experimentu však ukázali, že väčšina trhlín bola účinne zastavená, akonáhle narazili na jeden z jemných hrebeňov, ktoré tvoria stabilizačnú mriežku. Väčšina pozdĺžnych vydutín po celej dĺžke hlavného krídla je silná až 150 mikrometrov, z vnútornej strany dutá a čiastočne obsahuje nervové šnúry a tekutinu. Krížové výstuhy sú nepravidelnejšie a suchšie. Spolu tvoria stabilnú elastickú sieť s takmer tisíckou menších a väčších „membránových buniek“ - a výrazne zvyšujú húževnatosť krídla.

Zblízka vydutia v krídle

„V porovnaní s tenkou krídlovou membránou sú medziľahlé vydutia pomerne ťažké. Preto chcete toľko vydutí, koľko je potrebné, aby ste udržali nízku hmotnosť krídel, “hovorí Dirks. Príliš málo z nich by však ponúklo menšiu ochranu pred prasklinami, ako ukazuje video, dôležitý je optimálny kompromis. Aby to dokázali, vedci testovali mechanickú pevnosť na celých krídlach, ako aj na drobných kožkách jednotlivých membránových buniek. Výsledok: veľkosť väčšiny týchto buniek bola na alebo pod takzvanou kritickou dĺžkou praskliny plášťa membrány 1132 mikrometrov. Kritická dĺžka trhliny je materiálová konštanta; ak trhlina zostáva kratšia, materiál je stále stabilný aj pri zaťažení - ak je dlhšia, vedie k ďalším nekontrolovaným trhlinám, a tým väčšinou k deštrukcii.

Kompletné zlomeniny sú na krídlach kobyliek veľmi zriedkavé, sumarizuje Taylor: „Vďaka presnému rozstupu priečnych guľôčok sa trhliny vždy zastavia skôr, ako dosiahnu túto kritickú dĺžku a pokračujú v raste. Príroda našla mechanicky „optimálne“ riešenie pre krídla kobylky. “Váš výsledok by mal tiež urobiť stabilnejšie ľahké krídla pre mikro-lietadlá. Analýza použitá dozadu by pravdepodobne mohla pomôcť popísať letovú schopnosť hmyzu, ktorý už vyhynul.

Veda aktuálna podľa podmienok zdroja