Содержание
Что прочнее – паутина или сталь?. Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]
Что прочнее – паутина или сталь?. Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]
ВикиЧтение
Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]
Кондрашов Анатолий Павлович
Содержание
Что прочнее – паутина или сталь?
Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутинный шелк в 6 раз легче, а значит, в 6 раз прочнее.
Из чего сделана паутина?
Из чего сделана паутина?
Для большинства из нас самое завораживающие в пауках — это их паутина. Но в действительности паук — очень удивительное создание и во многих других отношениях.Пауки живут во всех климатических зонах в зависимости от вида, как в воздухе, так и на
БОЕВАЯ ПАУТИНА
БОЕВАЯ ПАУТИНА
Существует такое понятие, как силовые линии движений. Вы неоднократно встречались с ними, когда перехватывали поудобнее тяжелую коробку, искали точку опоры, чтобы передвинуть тяжелый шкаф, на тренировке методом проб и ошибок подбирали наиболее удобное
Что прочнее – паутина или сталь?
Что прочнее – паутина или сталь?
Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали.
Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого
«Сталь»
«Сталь»
Под общим названием «Сталь» разрабатывалось несколько опытных и серийных самолетов, основным конструкционным материалом в силовых элементах которых была нержавеющая сталь или же трубы из хромо-молибденовой стали, что было вызвано нехваткой алюминия в стране в
«Сталь-5»
«Сталь-5»
В 1933 г. в ОКБ А.И. Путилова началась разработка пассажирского самолета – «летающего крыла» с двумя двигателями М-34Ф мощностью по 900 л. с. и с двойным вертикальным оперением. Кабина летчиков немного выступала из носка крыла, размах которого составлял 23,0 м, а
Сталь
Сталь
Сталь представляет собой деформируемый или ковкий сплав железа с углеродом и другими элементами.
Сталь получается из передельного чугуна путем его переплавки. Во время переплавки из чугуна выгорает часть примесей, так как они окисляются легче, чем железо.Сталь
Леи — загадочная «паутина»
Леи — загадочная «паутина»
Загадочная «паутина» воображаемых прямых линий, которая якобы соединяет наиболее значимые доисторические и средневековые объекты Британии.
Идея о существовании лей возникла более 85 лет назад. Некий Альфред Уоткинс, археолог-любитель,
The Cobweb Паутина
The Cobweb
Паутина
1955 — США (124 мин)? Произв. MGM (Джон Хаусмен)· Реж. ВИНСЕНТ MИННЕЛЛИ? Сцен. Джон Пэкстон по одноименному роману Уильяма Гибсона· Опер. Джордж Фолси (Easlmancolor, Cinemascope)· Муз. Леонард Розенмен· В ролях Ричард Уидмарк (доктор Стюарт Макайвер), Лорен Бэколл (Мег Фаверсен
«Сталь»
«Сталь»
«Сталь»,
ежемесячный научно-технический и производственный журнал, орган министерства чёрной металлургии СССР и Центрального правления Научно-технического общества чёрной металлургии.
Выходит с 1941 в Москве. Освещает достижения советской и зарубежной науки в
ПАУТИНА
ПАУТИНА
На рубеже 90-х, когда клубный Питер активно осваивал мировой музыкальный фронтир, на практике испытывая новые художественные тенденции и приемы, наверное, одни лишь неисправимые идеалисты сохраняли верность традициям 70-х и главному символу этой эпохи, старому
Хакеры-2. Паутина
Хакеры-2. Паутина
Год: 2011
Автор: Александр Чубарьян
Жанр: Киберпанк
Издательство: АСТ, Этногенез
ISBN: 978-5-904454-52-4
Кол-во страниц: 288
Описание: Пути-дороги двух бывших друзей давно разошлись. Лекс сколотил небольшую команду, которая занимается различного рода компьютерными
85 удивительных фактов о пауках для любознательных
Знаете ли вы, что в царстве пауков встречаются совершенно безобидные и милые.
Но есть и те, которые могут нанести непоправимый вред человеку и лучше находиться от них на расстоянии 10 футов. Прокрутите наши интересные факты о пауках, чтобы узнать больше статистики и истории.
1. Существует около 38 000 известных видов пауков. Ученые полагают, что предстоит открыть еще столько же.
2. Пауки встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды.
3. По оценкам, на одном акре земли обитает 1 миллион пауков. В тропиках это число может быть ближе к 3 миллионам. Подсчитано, что человек никогда не находится на расстоянии более 10 футов от паука — никогда.
4. Укус бразильского странствующего паука может вызвать длительную и болезненную эрекцию, а также другие симптомы у мужчин.
5. Пауки жизненно важны для здоровой экосистемы. Поедают вредных насекомых, опыляют растения, и переработать мертвые животные и растения обратно в землю. Они также являются ценным источником пищи для многих мелких млекопитающих, птиц и рыб.
Пауки поедают насекомых, наполняя их пищеварительными соками
6.
Пауки едят больше насекомых, чем птицы и летучие мыши вместе взятые.
7. Все пауки прядут шелк, но не все пауки плетут сети.
8. Пауки-самцы плетут небольшую паутину «спермы», Затем они помещают каплю спермы на паутину, всасывают ее педипальпами, а затем используют педипальпу, чтобы ввести сперму в самку.
9. Пауки, плетущие паутину, имеют по два или три когтя на концах каждой лапы, которые они используют, чтобы перемахивать с пряди на прядь, не застревая в липкой части паутины. Дополнительно,В теле паука есть специальное маслянистое вещество, которое не дает ему застрять в паутине.
10. Когда паук путешествует, у него всегда четыре ноги, соприкасающиеся с землей, и четыре ноги, отрывающиеся от земли в любой момент.
11. Багира киплинги — единственный в мире (в основном) паук-вегетарианец.
12. Слово «початок» — устаревшее слово, означающее «паук», и представляет собой сокращенную форму древнеанглийского слова attercop, которое буквально означает «ядовитая голова».
Этимологи видят связь между початком для паука и початком для кукурузы в том, что початок кукурузы означает «голова» или «верхушка» кукурузы.
13. Человек-паук — один из самых популярных супергероев. В ранних комиксах радиоактивный паук, кусающий Питера Паркера, ошибочно называют насекомым.
14. В редких случаях укусы некоторых пауков могут вызывать заболевания крови. Например, яд коричневого отшельника может вызвать взрыв красных кровяных телец. Это может привести к другим симптомам, таким как острое повреждение почек и желтуха.
15. У пауков голубая кровь. У людей кислород связан с гемоглобином — молекулой, которая содержит железо и придает крови красный цвет. У пауков кислород связан с гемоцианином, молекулой, которая содержит медь, а не железо.
Ноги паука используют гидравлическое давление для движения
16. Мышцы паука втягивают ноги внутрь, но не могут снова вытянуть ноги. Вместо этого он должен закачивать водянистую жидкость в ноги, чтобы вытолкнуть их.
Ноги мертвого паука скручены, потому что нет жидкости, чтобы снова вытянуть ноги.
17. Яд паука черной вдовы атакует нервы, блокируя их сигналы к мышцам, что заставляет мышцы сокращаться многократно и часто болезненно. Укусы «черной вдовы» также могут вызывать другие нервные расстройства, такие как высокое кровяное давление, беспокойство и сильные спазмы лица.
18. Последствия укуса паука различаются в зависимости от нескольких факторов, включая количество введенного яда, а также размер и возраст человека, которого укусил. Особенно восприимчивы дети и пожилые люди.
19. У пауков от двух до шести прядильщиков в задней части живота. Каждый из них подобен крошечной насадке для душа с сотнями отверстий, из которых образуется жидкий шелк.
20. Гигантские пауки-люки считаются живыми ископаемыми, потому что они похожи на пауков, живших более 300 миллионов лет назад. Встречаются в Юго-Восточной Азии, Китае, и Япония и имеют более 4 дюймов в поперечнике, включая ноги.
21.
Самый большой в мире паук — паук-голиаф (Theraphosa blondi). Он может вырасти до 11 дюймов в ширину, а его клыки — до одного дюйма в длину. Он охотится на лягушек, ящериц, мышей и даже на маленьких змей и молодых птиц.
Самый маленький паук в мире — Patu marplesi.
22. Он настолько мал, что на конце карандаша поместится 10 штук.
23. К самым смертоносным паукам в мире относятся черная вдова, воронковая паутина и коричневые пауки-отшельники. Один из самых страшных пауков в мире, тарантул, на самом деле обладает удивительно слабым ядом и укусом, который больше похож на укус осы.
24. Самый ядовитый паук в мире — это бразильский странствующий паук, или банановый паук. Этот агрессивный паук бродит по лесам Центральной и Южной Америки в поисках пищи. Даже небольшого количества яда достаточно, чтобы убить человека.
Коричневый отшельник получил свое название от цвета и своего «застенчивого» характера.
25. Укус коричневого паука-отшельника, который обитает на юго-востоке США, особенно опасен, потому что его укус изначально безболезненный.
Человека могут укусить, даже не осознавая этого, но через некоторое время кожа начинает опухать и становиться невероятно болезненной. Укус может убить человека, если его не лечить.
26. Вероятно, самый очаровательный паук в истории — Шарлотта в фильме Э. Любимый роман Уайта «Паутина Шарлотты». Она живет в сарае и спасает жизнь своему хорошему другу, свинью Уилбуру.
27. Арахнофобия — это боязнь пауков. Это одна из самых распространенных фобий в Северной Америке и Европе. Арахнофобия менее распространена в тропических регионах, где обитают более крупные волосатые пауки .
28. Слово «паук» происходит от древнеанглийского слова spithra и связано с немецким spinne, что означает «прядильщик». Слово «старая дева» также связано и означает «прядущий нить» .
29. В то время как у людей есть мышцы снаружи скелета, у пауков есть мышцы внутри. Скелет или экзоскелет паука покрывает и защищает его мышцы.
30. Некоторые пауки, такие как домашние пауки, могут взбираться по стенам, потому что их лапы покрыты крошечными волосками, которые цепляются за поверхность.
Однако они не могут выйти из ванны, потому что поверхность слишком скользкая. Другие пауки, такие как садовые пауки, не могут ползать по стенам, потому что их ноги заканчиваются когтями, которые помогают им вместо этого цепляться за шелковые нити .
31. Пауки вдохновили ученых на создание космических роботов. Например, «Спайдернаут» — это механический паук, который предназначен для ползания по космическому кораблю с целью ремонта. Его вес равномерно распределяется на восемь опор, чтобы не повредить поверхность космического корабля. Ученые также разработали миниатюрные элементы оборудования, части которого двигаются, как лапа паука.
32. Шелк, выходящий из фильеры паука, жидкий, но затвердевает при контакте с воздухом. У некоторых пауков есть до семи типов шелковых желез, каждая из которых образует свой тип шелка — например, гладкий, липкий, сухой или эластичный.
33. Шелк в паутине в пять раз прочнее, чем стальная нить такой же толщины. Паутина, сделанная из прядей паучьего шелка толщиной с карандаш, могла остановить большой реактивный самолет Боинг 747 в полете.
Ученые до сих пор не могут воспроизвести прочность и эластичность паучьего шелка.
34. В тропических регионах нетто- метательные пауки образуют небольшую шелковую паутину, которую они перекидывают на свою добычу.
Паутина помогает скрепить гнездо колибри
35. Колибри используют маленькие палочки и шелк паутины, чтобы сплести себе гнездо.
36. В то время как большинство пауков каждый день строят новую паутину, паутина золотой сферы может прослужить несколько лет и даже может ловить птиц.
37. Воронкообразный паук — это агрессивный паук, который атакует и кусает людей. Известно, что его яд убивает всего за 15 минут. К счастью, есть противоядие, и теперь смерть от этого паука редка.
38. Пауки-волки могут бегать со скоростью до 2 футов в секунду.
39. У пауков нет зубов, поэтому они не могут пережевывать пищу. Вместо, они впрыскивают пищеварительные соки внутрь своей еды. Затем паук всасывает его изнутри.
40. Клыки большинства пауков похожи на клешни, которые двигаются боком друг к другу, чтобы укусить.
У других, например, у пауков-птицеедов, длинные клыки направлены вниз.
41. Некоторые пауки-самцы дарят самкам мертвых мух.
42. Пауки не умеют летать, но иногда они плывут по воздуху по шелковой нити, известной как «полет на воздушном шаре».
43. Водные пауки — единственные пауки, которые всю жизнь проводят в воде. Пауки строят «водолазный колокол», который позволяет им жить и плести паутину под водой. Они используют свои ноги как удочку, чтобы тащить насекомых, головастиков, и даже рыбки.
44. Паук-птицеед получил свое название потому, что выглядит как птичий помет. Этот тип камуфляжа не дает птицам его съесть.
45. На высоте 23000 футов были найдены два вида пауков-прыгунов. На этой высоте растения не растут, но растительный материал взрывается с более низких высот, чего достаточно, чтобы прокормить крошечных существ.
46. Пауки-прыгуны могут прыгать в 40 раз больше своей длины. Если бы люди могли прыгнуть так далеко, они смогли бы перепрыгнуть более 230 футов.
47. У пауков-прыгунов нет сильных мускулистых ног. Они прыгают, сокращая мышцы живота, в результате чего жидкость попадает в задние ноги. Затем задние ноги выпрямляются, и паук катапультируется вперед.
48. Когда колесный паук пугается, он поджимает ноги и катится по песку.
Паутина содержит витамин К, который помогает уменьшить кровотечение.
49. Сотни лет назад люди надевали паутину на свои раны, потому что считали, что это поможет остановить кровотечение. Ученые теперь знают, что шелк содержит витамин К, который помогает уменьшить кровотечение.
50. Некоторые пауки поедают свои сети, а затем повторно используют их.
51. Пауки — единственная группа животных, которая строит сети. За миллионы лет паутина превратилась в множество видов, таких как листы, путаница, лестницы и элегантная паутина сфер. Когда большинство людей думают о сети, они думают о сети сфер.
52. Ученые Министерства обороны США пытаются скопировать шелк ткача золотых сфер, чтобы использовать его для изготовления пуленепробиваемых жилетов.
53. Паук из коры Дарвина создает самый прочный материал, созданный живым организмом. Их гигантские сети могут охватывать реки, ручьи и даже озера и в 10 раз прочнее кевлара.
54. Большинство пауков живут одни, встреча с другими пауками только для спаривания. Некоторые виды пауков общительны и живут группами. Например, в Африке сеть социальных пауков, таких как колонии Stegodyphus, может покрывать целые деревья. В Индии паутина может покрывать деревья на несколько миль.
55. Опасен только укус самки черной вдовы; самец намного меньше самки, а самцы и молодые особи безвредны для человека. Только самка имеет характерную форму красных песочных часов на нижней стороне; у самца есть желтые и красные полосы и пятна на брюшке.
56. Только самки черных вдов плетут паутину и ловят добычу. Самцы не питаются как взрослые; вместо этого они концентрируют все свои усилия на спаривании.
Самка черной вдовы может иногда съесть самца после спаривания.
57. Паук-самка красной вдовы начнет питаться самцом, пока они еще спариваются.
Однако самец практически силой питается самкой, вставая в ее челюсти. Если она «выплюнет его», он будет постоянно находиться там, пока она его не съест.
Пауки-волки несут своих пауков на спине
58. Пауки-матери могут отложить до 3000 яиц за один раз. Детенышей пауков называют пауками. В то время как большинство пауков-матерей не остаются со своими детенышами, пауки-волки несут своих детенышей на спине.
59. Некоторые виды пауков-прыгунов могут видеть световые спектры, недоступные людям. Некоторые могут видеть как свет UVA, так и UVB.
60. Самке черной вдовы нужно спариваться только один раз. После спаривания она может откладывать яйца всю оставшуюся жизнь, то есть около 2 лет.
61. Некоторые птицееды бросают крошечные раздражающие волоски, известные как волоски, чтобы помешать хищникам — аналогично тому, как дикобраз использует свои иглы в качестве защиты.
62. В течение XVI и XVII веков считалось, что укус одного вида паука-волка (названного тарантулом из региона Таранто в Италии) был бы смертельным, если бы жертва не танцевала под определенный тип бешеной музыки.
Это вдохновило танец под названием тарантелла.
63. Пауки — не насекомые. Это паукообразные, наряду со скорпионами, клещами, уборщики и клещи. У всех паукообразных восемь ног и две основные части тела (головогрудь и брюшко). Напротив, у насекомых шесть ног и три основные части тела (голова, грудная клетка и брюшко) .
64. У большинства пауков восемь глаз, и они очень близоруки. У пауков также есть крошечные волоски на ногах, которые помогают им слышать и обонять.
65. Различные лекарства влияют на то, как пауки плетут паутину. Например, пауки, принимающие ЛСД, плетут красивые сети, а пауки, принимающие кофеин, плетут ужасные сети. Ученые считают, что изучение формы паутины также может помочь обнаружить находящиеся в воздухе химические вещества и загрязнители.
66. Это миф, что человек проглотит в среднем четыре (или любое количество) пауков во время сна в течение своей жизни. Маловероятно, что паук когда-нибудь попадет в пасть спящего человека.
67. Согласно греческому мифу, девушка по имени Арахна могла так хорошо вращаться, что богиня Афина стала ревновать и превратила ее в паука.
68. У паука нет костей. Скорее, у него есть экзоскелет, который похож на жесткий доспех, защищающий его тело. Поскольку экзоскелет не растет, паук линяет. Обычно паук линяет около 10 раз за свою жизнь.
69. Паук-болас ловит моль толстой шелковой нитью с большой липкой каплей на конце. Капля имеет тот же запах, что и самка бабочки, которая соблазняет других бабочек в ловушку.
70. Яд самки черной вдовы в 15 раз сильнее яда гремучей змеи.
71. Тарантул может разжижать тело мыши всего за 2 дня, оставляя после себя груду только кожи и костей.
72. Большинство пауков живут около года. Тем не менее, некоторые птицееды живут более 20 лет.
73. Самка тарантула-ястреба кормит своих детенышей птицеедов. Она нападает, ужалит и парализует огромного паука. После этого она тащит паука в свое логово и кладет на него яйцо — пока паук еще жив.
Личинки тарантула питаются живыми птицеедами
74. Некоторые пауки не используют паутину, чтобы поймать свою добычу.
Вместо этого они делают липкую резинку, которую выпускают сквозь клыки.
75. Как и скалолазы, многие пауки привязаны к веревке из шелка на случай падения. Они также могут подбежать к нему, если им нужно убежать.
76. Большинство пауков-самок крупнее пауков-самцов.
77. Черная вдова и коричневый отшельник — единственные два паука в Северной Америке, укус которых может быть серьезным. Хотя CDC относит паука-бродягу к третьему токсичному виду паука, некоторые исследователи утверждают, что яд паука-бродяги не так опасен.
78. В отличие от насекомых, у пауков нет антенн.
79. Паутина липкая из-за капель клея, которые паук откладывает на ней. Эти капли в три раза тоньше, чем диаметр отдельного волоса. Ученые описывают эти капли как похожие на жевательную резинку: они просто продолжают растягиваться и растягиваться .
80. Паутина — не пассивная ловушка. Вместо, из-за электропроводящего клея, растекающегося по их поверхности, паутины прыгают к их добыче. Ученые также обнаружили, что спирали клея на паутине искажают электрическое поле Земли в пределах нескольких миллиметров от паутины.
Освободить паука — не самый гуманный вариант
81. Большинство пауков, обитающих в домах, приспособились к жизни в помещении. У них мало шансов выжить на открытом воздухе.
82. Британская певица Кэти Мелуа обратилась к врачу после того, как услышала «шарканье» в ухе. Врач обнаружил, что в ней живет прыгающий паук. Она считает, что паук залез в наушники-вкладыши, которые она использовала во время полета на прошлой неделе.
83. Пауков обвиняют во всевозможных неровностях, высыпания и новообразования. Однако, в отличие от комаров или клещей, пауки не питаются человеческой кровью, и у них нет причин кусать человека, если они не чувствуют угрозы или удивления. Кроме того, пауки обычно не кусают спящих людей.
84. Нить паучьего шелка, достаточно длинная, чтобы опоясать Землю, весила бы чуть больше фунта.
85. Ученые считают, что паук разработал закономерности, которые сбивают с толку хищников. На Гавайях есть паук, который выглядит так, будто улыбается. Этот жизнерадостный паук, получивший название «гавайский паук с счастливым лицом», находится под угрозой исчезновения.
Если Вам понравилась статья, пожалуйста, поделитесь ею с друзьями в соцсетях.
1 777
Шелк паука — чудо природы, но он не прочнее стали
Ведь не так сильно. Кредит: Доминик Клир
Вы наверняка слышали, что шелк паука прочнее стали. Мы все хотим верить, что в природе есть удивительные материалы, которые намного превосходят созданные человеком. Но проблема с заявлениями, которые звучат слишком хорошо, чтобы быть правдой, заключается в том, что они обычно таковыми и являются.
Шелк паука не прочнее стали. Но это не должно мешать нам изучать его или думать о нем как о чудесном материале.
В лучшем случае шелк паука может сравниться со сталью, когда речь идет о прочности на растяжение, которая является самым большим напряжением, которое материал может выдержать, прежде чем сломается. Для одной разновидности шелка паука значение прочности на разрыв чуть выше 1 ГПа, единицы измерения силы на единицу площади.
Это соответствует среднему значению для стали, где прочность колеблется от 0,2 ГПа до почти 2 ГПа.
Прочность на растяжение — это только одно из важнейших свойств. Жесткость шелка, то есть его способность упруго деформироваться при приложении силы, во много раз меньше, чем у стали. Там, где шелк паука, кажется, превосходит сталь с большим отрывом, так это его плотность, которая почти в шесть раз меньше. Таким образом, в пересчете на вес шелк начинает выглядеть более интересно, а его отношение прочности к плотности превосходит таковое у стали.
Во многих случаях требуется такое сочетание прочности и низкой плотности. Например, новый самолет 787 Dreamliner в значительной степени изготовлен из композитных материалов, где множество различных материалов комбинируются для получения правильного сочетания свойств.
Еще одна причина, по которой шелк паука с энтузиазмом изучается, заключается в нашей заинтересованности в подражании природе посредством «биомимикрии». Ключевое различие между природными материалами и искусственными заключается не столько в физических свойствах.
Дело в том, как они сделаны.
Распутывание паутины
Шелк паука — это белок, а белки образуются внутри живых клеток. Процесс, который происходит при температуре тела, в отличие от производства стали, происходящего в печи. Магия паучьего шелка связана с передачей информации через ДНК. Человеческая инженерия способна использовать больше энергии для решения проблем. Природа делает это за счет использования более качественной информации.
Кроме того, белки состоят из распространенных элементов, таких как углерод, водород, кислород и азот, и единственным побочным продуктом реакции, в результате которой образуются белки, является вода. Таким образом, натуральные материалы, такие как шелк паука, могут претендовать на звание «экологически чистых», потому что они используют меньше энергии и обильные элементы, что делает обработку превосходящей большинство инженерных материалов.
Шелк паука прочнее стали в пересчете на вес и при этом очень безопасен для окружающей среды.
Возможно, это звучит не так лаконично, как «паучий шелк прочнее стали», но это гораздо более драматичная история о том, почему имитация природных материалов является быстро развивающейся областью материаловедения и инженерии.
Нам еще предстоит полностью понять, как делается паутина. Попытка коммерциализации через «коз-пауков», когда генетически модифицированная коза производила молоко, содержащее дополнительный белок, который можно было извлечь и сплести в шелковую нить паука, привела к банкротству. Но остается надежда, что, изучая, как шелк паука обеспечивает свою силу с помощью последовательностей генов, присутствующих в ДНК паука, инженеры однажды смогут строить самолеты и другие высокопроизводительные устройства, используя материалы, щадящие планету, богатые информацией и с низким энергопотреблением.
Источник:
Разговор
Эта история опубликована с разрешения The Conversation (под лицензией Creative Commons-Attribution/Без производных).
Цитата :
Шелк паука — чудо природы, но он не прочнее стали (2013, 7 июня)
получено 18 декабря 2022 г.
с https://phys.org/news/2013-06-spider-silk-nature-stronger-steel.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Как паутина обретает силу | Новости Массачусетского технологического института
Шелк, который пауки используют, чтобы плести свои сети, ловить свою добычу и свисать с вашего потолка, является одним из самых прочных известных материалов. Но оказывается, не только исключительная прочность материала делает паутину такой прочной; это необычное сочетание прочности и эластичности материала — характерный способ шелка сначала смягчаться, а затем становиться жестким при растяжении. Ученые обнаружили, что эти свойства варьируются в зависимости от приложенных сил, а также от общего дизайна паутины.
Маркус Бюлер, адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии (CEE) в Массачусетском технологическом институте, ранее проанализировал сложную иерархическую структуру паучьего шелка и его удивительную прочность — в пересчете на фунт он прочнее стали.
Теперь Бюлер и его коллеги применили свой анализ к структуре самих тканей, найдя доказательства ключевых свойств, которые делают ткани такими эластичными, и связав эти свойства с молекулярной структурой шелковых волокон.
Уроки, извлеченные из этой работы, по словам Бюлера, могут не только помочь в разработке более устойчивых к повреждениям синтетических материалов, но и предоставить принципы проектирования, которые могут применяться к сетевым системам, таким как Интернет или электросеть.
Статья с описанием новых открытий опубликована на этой неделе в журнале Nature . Помимо Бюлера, исследование проводили аспиранты из Центральной и Восточной Европы Стивен Крэнфорд и Анна Тараканова, а также Никола Пуньо из Туринского политехнического университета в Италии.
Оказывается, ключевое свойство паутинного шелка, помогающее сделать паутину прочной, ранее считалось слабостью: он может сначала растягиваться и смягчаться при натяжении, а затем снова становиться жестким по мере увеличения силы натяжения.
Эта реакция жесткости имеет решающее значение для устойчивости паучьего шелка к повреждениям. Бюлер и его команда проанализировали, как материалы с разными свойствами, расположенные в одном и том же узоре паутины, реагируют на локальные напряжения. Они обнаружили, что материалы с другими реакциями — те, которые либо ведут себя как простая линейная пружина при растяжении, либо сначала растягиваются, а затем становятся более «пластичными», — работают гораздо менее эффективно.
Паутина, как оказалось, может выдержать немало ударов без промаха. Повреждения, как правило, локализованы и затрагивают всего несколько потоков — например, место, где ошибка попала в сеть и начала крутиться. Это локализованное повреждение можно просто отремонтировать, а не заменить, или даже оставить в покое, если паутина продолжит функционировать, как прежде. «Даже если в ней много дефектов, на самом деле паутина механически функционирует практически так же», — говорит Бюлер. «Это очень отказоустойчивая система».
Исследования Бюлера носят в основном теоретический характер и основаны на компьютерном моделировании свойств материалов и их реакции на нагрузки. Но в этом случае, чтобы проверить результаты, он и его команда буквально отправились в поле: они проверили настоящую паутину, тыкая и дергая ее. Во всех случаях ущерб был ограничен непосредственной областью, которую они потревожили.
Эффект был несколько неожиданным, говорит Бюлер: первоначальной реакцией была деформация всего полотна, так как пряди изначально относительно легко деформируются. Но тогда из-за нелинейного отклика волокон только нити, на которые прикладывалась сила, несли нагрузку — растягиваясь, а затем становясь жесткими. По мере увеличения силы они в конце концов сломались.
«Независимо от того, где вы тянете, паутина всегда дает сбой именно в этом месте», — говорит Бюлер. Любой может провести этот простой эксперимент, добавляет он: просто выдерните одну шелковую нить из паутины, и она порвется только там, где ее тянут.
В полотне, изготовленном из материала с более равномерной реакцией на растяжение, напротив, локальные напряжения вызывают гораздо более обширные повреждения.
С другой стороны, при сильном ветре исходная жесткость шелка помогает паутине выжить. Паутина в симуляции Бюлера могла выдерживать ветры почти ураганной силы, прежде чем разорвалась на части.
Инженеры, как правило, сосредотачиваются на материалах с равномерными линейными характеристиками, говорит Бюлер, потому что их свойства гораздо легче рассчитать. Но это исследование показывает, что материалы с более сложными реакциями могут иметь важные преимущества. Например, в необычной реакции паучьего шелка — сначала жесткой, затем эластичной, затем снова жесткой — «каждый маленький кусочек этого забавного поведения играет фундаментальную роль» в том, чтобы сделать всю паутину такой прочной, говорит он. Материалы с одинаковой предельной прочностью, измеряемой пределом прочности, часто ведут себя по-разному в реальных приложениях.
«Настоящая сила не так важна, важно, как вы ее достигаете», — говорит он.
Базовый принцип допущения локальных повреждений, чтобы вся конструкция могла выжить, говорит Бюлер, может в конечном итоге стать руководством для инженеров-строителей. Например, сейсмостойкие здания, как правило, предназначены для защиты всего здания за счет рассеивания энергии и снижения нагрузки на конструкцию. Когда они терпят неудачу, они, как правило, делают это полностью.
Новый дизайн может позволять зданию изгибаться до определенного предела, но тогда определенные структурные элементы могут сломаться первыми, что позволит выжить остальной конструкции; в конечном итоге это может позволить отремонтировать здание, а не снести его. Подобные принципы могут применяться к конструкции самолетов или бронированных машин, которые могут противостоять локальным повреждениям и продолжать функционировать.
Такие «жертвенные элементы» могут использоваться не только для физических объектов, но и при проектировании сетевых систем: например, компьютер, подвергшийся вирусной атаке, может быть спроектирован так, чтобы мгновенно отключаться, прежде чем его проблемы распространятся.