👐 🤞🏼 🤛🏿 الفيزياء في عالم الحيوان: مخلب أبو بريص 🌐 🌋 😳

الصورة: Wikimedia

Geckos سكان المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية في العالمين القديم والجديد. تعيش هذه السحالي في القارات والجزر على حد سواء ، ونطاق توزيعها واسع النطاق. الأبراص لها ميزة واحدة - يمكنها البقاء على أي سطح تقريبًا. حتى مخلب واحد يحمل وزن جسم الحيوان. يمكن أن يكون السطح أي شيء - الخشب والصخور وحتى الزجاج المصقول.

إن قدرة أبو بريص على التمسك بأي شيء كانت محل اهتمام من قبل الإغريق القدماء. حاول أرسطو فهم مبدأ تأمين أقدام السحلية ؛ كان علماء العصور الوسطى مهتمين أيضًا بالبراص. يتم دراستها في عصرنا. هناك العديد من النظريات التي تشرح القدرات البارزة لهذه السحالي في "تسلق الجبال".

المصاصون على الأصابع. أحد التفسيرات الأولى التي بدت منطقية تمامًا. صحيح ، بعد دراسة كفوف أبو بريص تحت المجهر ، اتضح أنه لا توجد أكواب شفط على الأصابع. لسوء الحظ ، لا تزال أسطورة المصاصة على قيد الحياة اليوم.

كهرباء . تفسير آخر معقول ، كان قادرًا على دحض (على الرغم من وجود بعض تأكيدات هذه النظرية ، سنتحدث عنها أدناه) ، مما يخلق ظروفًا لا يمكن فيها ببساطة تحميل أقدام أبو بريص. كان الحيوان لا يزال ثابتًا على سطح أملس.

تم رد تفنيد في الثلاثينيات من القرن الماضي. قام العالم الألماني وولف ديتريش ديليت (وولف ديتريش ديليت) بتوجيه تدفق الهواء المتأين نحو أرجل أبو بريص ، الذي تم عقده على سطح معدني. كان من المفترض أن يقوم التأين ، وفقًا لـ Dellit ، بتحييد أو تقليل قوة التصاق الكفوف على السطح ، إذا كانت آلية الاقتران ذات طبيعة كهربائية. لم يحدث هذا ، لذلك استنتج أن الأبراص تستخدم شيئًا آخر.

يعتقد العالم الكندي ألكسندر بينليديس أن هذه التجربة كانت غير صحيحة. والحقيقة هي أن الاتصال بين أرجل أبو بريص والسطح ضيق للغاية ، ونتيجة لذلك لا تستطيع الجزيئات المتأينة ببساطة الاختراق بين الهياكل الصغيرة جدًا للساقين والسطح وتحييد التفاعل.

قبضة من أقدام أبو بريص مع عدم انتظام السطح . هذا التفسير غير مناسب أيضًا ، لأن الأبراص يمكن أن تتحرك على سطح رأسي من الزجاج المصقول. علاوة على ذلك ، يمكنهم التحرك على طول سقف نفس المادة.

الصورة: ويكيبيديا

مع ظهور المجهر الإلكتروني ، تم دراسة مخلب أبو بريص بالتفصيل. كما اتضح ، فهي مغطاة بشعيرات رقيقة للغاية ، يصل طولها إلى مئات الميكرومتر. تركيز الشعيرات لكل وحدة مساحة في المخلب مرتفع جدًا: أكثر من 14000 شعرة لكل 1 مم ² . كل شعرة ، بدورها ، ليست تشكيلًا مترابطًا ، ولكنها مقسمة في النهاية إلى 400-1000 ألياف أصغر. سمك هذه الألياف 0.2 ميكرومتر. على 1 سم ²يمثل التلامس مع السطح حوالي 2 مليار ألياف ، كل منها يمتد نحو النهاية.

أ. زغة القدم ب. "وسادة" إصبع أبو بريص تحت المجهر ج. واحدة من شعيرات الأبراص ، وهي تحت زيادة كبيرة. الحد الأقصى لزيادة الشعر الخشن (الصورة: somuchnews ).

وجد العلماء الأمريكيون أن مخلب الأبراص لديه تيار 10 نيوتن لكل 1 سم ^2.. هذا الالتصاق ممكن فقط للأسطح الملساء ، حيث يتم تضمين جميع الألياف تقريبًا في أرجل الحيوان. إذا كنا نتحدث عن الأسطح التي توجد غالبًا في موائل أبو بريص - الصخور والأشجار ، فإن جزءًا فقط من الألياف الموجودة في الكفوف متورط هنا (بسبب العدد الكبير من المخالفات على هذه الأسطح) ، ولكن هذا يكفي لإبقاء الحيوان في مكانه.

كما اتضح ، تلتصق الشعيرات الدقيقة على أرجل أبو بريص بالسطح الداعم عن طريق قوى فان دير والز. قوات فان دير فالس- قوى التفاعل بين الجزيئات (والذرية) بطاقة تتراوح من 10 إلى 20 كيلوجول / مول. أساس قوى فان دير والز هو قوى كولوم للتفاعل بين إلكترونات ونوى جزيء واحد ونواة وإلكترونات جزيء آخر. على مسافة معينة بين الجزيئات ، تتوازن قوى الجذب والتنافر ، ويتم تشكيل نظام مستقر. إنه مثل هذا النظام بالتحديد الذي يجعل مخلب أبو بريص السطح الذي يتلامس معه.

يوفر الهيكل المعقد للمخلب خاصية أخرى - كراهية الماء. يطرد المخلب الماء والأوساخ ، لذلك يمكن أن يتحرك أبو بريص جيدًا على الأسطح الرطبة.

يقوم أبو بريص بفصل المخلب بسهولة عن السطح الذي يعلق عليه. يتم استخدام آلية خاصة لهذا الغرض. والحقيقة هي أن الشعر الخشن المرتبط بأي مادة يمكن أن ينفصل بسهولة إذا كانت الزاوية بين الألياف والسطح أكثر من 30 درجة. عند الحركة ، وتغيير زاوية التماس للمخالب والسطح ، يقوم أبو بريص بإصلاح الكفوف بسهولة وفصلها. تكاليف الطاقة لهذه العملية ضئيلة.

قوات فاند دير فالس أو أي شيء آخر؟

قبل عامين ، قرر العالم الكندي ألكسندر بينليديس دراسة آلية التصاق مخالب أبو بريص على الأسطح بشكل مستقل. كما اتضح ، عندما تلامس الكفوف والسطح ، يحدث تبادل الشحنات الكهربائية. ونتيجة لذلك ، تتشكل شحنة إلكتروستاتيكية موجبة في المخلب وشحنة سالبة على السطح.

جرب Penlidis نوعين من أسطح البوليمر - تفلون AF و polydimethylsiloxane. ووفقًا للاستنتاجات التي توصل إليها العالم وفقًا لنتائج الدراسة ، فإن قوة الالتصاق مرتبطة بحجم الشحنة الإلكتروستاتيكية للمخلب والسطح. ويترتب على ذلك أن الشحنة الكهربائية هي التي تلعب الدور الرئيسي في التصاق المخلب بالسطوح.

الدراسة مثيرة للاهتمام ، لكنها لا تجيب على السؤال المهم - كيف يتم تثبيت أبو بريص على أسطح غير مستوية للغاية ، حيث يكون من الصعب توفير التصاق باستخدام شحنة كهربائية أكثر من سطح مستو. ربما يكون لأرجل أبو بريص آلية اقتران مزدوجة - كل من قوى فان دير والز والشحنة الكهربائية.

تأثير الماء

في الغالبية العظمى من الحالات ، أجرى العلماء تجارب مع الأبراص في بيئة جافة. قرر علماء من جامعة أكرون التحقق من مدى قدرة السحلية على التحرك على الأسطح الرطبة. كما اتضح ، إذا قمت برش الماء على طبق زجاجي ، فإن الحيوان يمسك على هذا السطح أسوأ بكثير مما هو عليه على نفس الطبق دون قطرات من الماء.

ومع ذلك ، تمكن أبو بريص من البقاء على السطح الرطب. ولكن إذا كانت اللوحة مغمورة في عمق ضحل في الماء ، وتم وضع أبو بريص مرة أخرى على اللوحة ، فإن السحلية لا يمكنها البقاء على السطح في مثل هذه الظروف. إذا غمرت أرجل أبو بريص في الماء لمدة ساعة ونصف ، ثم وضعته على الزجاج ، ينزلق ، غير قادر على الحصول على موطئ قدم.

وفقًا لـ Alyssa Stark من جامعة Akron ، يرجع ذلك إلى حقيقة أن الماء يتداخل مع قوى تفاعل van der Waals ، ولا يمكن تثبيت أرجل أبو بريص على السطح.

ليس مجرد الكفوف

يقول علماء من جامعة ماساتشوستس في أمهيرست أن الجسم كله من أبو بريص يشارك في آلية تثبيت الكفوف على السطح. جسد الزواحف ، وفقا لألفريد كروسبي (ألفريد كروسبي) ، يلعب دور النابض الذي يضغط على الكفوف إلى السطح. وكلما زاد وزن جسم الزغة ، كان أقوى هذا الربيع . بفضل هذه الآلية ، فإن الأبراص الكبيرة ، وليس فقط أقاربهم الصغار ، يتم الاحتفاظ بها بشكل مثالي في أي سطح.

على الرغم من حقيقة أن ألكسندر بنليديس كان قادرًا على إثبات تأثير الشحنة الكهربائية على القدرة اللاصقة لمخالب أبو بريص ، إلا أن معظم الخبراء لا يزالون يدعمون وجهة النظر حول آلية الالتصاق القائمة على قوى فان دير والز. يحاول العلماء الآن شرح مشكلة أخرى مثيرة للاهتمام - أصل هذه الآلية في عملية التطور.

جيكو سكوتش

منذ أن أصبحت آلية أرجل أبو بريص مفهومة بشكل عام ، يحاول الناس استنساخها بشكل مصطنع. على وجه الخصوص ، أنشأت وكالة DARPA معدات التسلق التي تسمح للشخص الذي يزن 122 كجم (وزن الجسم + الحمولة) بتسلق جدار شفاف زجاجي إلى ارتفاع 7.6 متر.ابتكر مهندس في ستانفورد روبوتًا يمكنه تسلق الأسطح الملساء تقريبًا. تم تصميم مناورات الروبوت أيضًا على أرجل أبو بريص. وخبراء من جامعة بنسلفانيا المتقدمةنوع جديد من القابض عالي الدقة يمكن استخدامه في الإنتاج للعمل مع الأجزاء الصغيرة. كما يجري تطوير شريط فائق اللصق ، والذي يمكنه تحمل العديد من دورات الاستخدام والسطح غير الملوث بالاستخدام المطول. طورت ناسا حاملًا خاصًا يمكن استخدامه على الأرض وفي انعدام الجاذبية في الفضاء. يسمح لك بربط البضائع على الأسطح باستخدام "الفيلكرو" الخاص الذي تم إنشاؤه في صورة وشكل سطح قدم أبو بريص.

الفيزياء في عالم الحيوان: مخلب أبو بريص

قوات فاند دير فالس أو أي شيء آخر؟

تأثير الماء

ليس مجرد الكفوف

جيكو سكوتش

More articles: