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Physik in der Tierwelt: Geckopfote


Foto: Wikimedia

Geckos sind Bewohner der tropischen und subtropischen Regionen der Alten und Neuen Welt. Diese Eidechsen leben sowohl auf Kontinenten als auch auf Inseln, ihre Verbreitung ist groß. Geckos haben eine Eigenschaft - sie können auf fast jeder Oberfläche bleiben. Sogar eine Pfote hält das Körpergewicht des Tieres. Die Oberfläche kann alles sein - Holz, Stein, sogar poliertes Glas.

Die Fähigkeit des Geckos, an irgendetwas festzuhalten, wurde von den alten Griechen beachtet. Aristoteles versuchte das Prinzip der Sicherung der Pfoten einer Eidechse zu verstehen, mittelalterliche Wissenschaftler interessierten sich auch für Geckos. Sie werden in unserer Zeit studiert. Es gibt verschiedene Theorien, die die herausragenden Fähigkeiten dieser Eidechsen im "Bergsteigen" erklären.

Saugnäpfe an den Fingern. Eine der ersten Erklärungen, die ziemlich logisch aussah. Nachdem ich die Pfoten des Geckos unter einem Mikroskop untersucht hatte, stellte sich heraus, dass die Finger keine Saugnäpfe hatten. Leider lebt der Trottelmythos noch heute.

Elektrostatik . Eine weitere plausible Erklärung, die widerlegt werden konnte (obwohl es einige Bestätigungen dieser Theorie gibt, werden wir weiter unten darauf eingehen), die Bedingungen schafft, unter denen die Beine des Geckos einfach nicht aufgeladen werden können. Das Tier wurde immer noch fest auf einer glatten Oberfläche gehalten.

Eine Widerlegung wurde bereits in den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts erhalten. Der deutsche Wissenschaftler Wolf-Dietrich Dellit (Wolf-Dietrich Dellit) richtete den Strom ionisierter Luft auf die Beine des Geckos, der auf einer Metalloberfläche gehalten wurde. Laut Dellit sollte die Ionisierung die Adhäsionskraft der Pfoten an der Oberfläche neutralisieren oder signifikant verringern, wenn der Kopplungsmechanismus elektrischer Natur war. Dies ist nicht geschehen, daher wurde der Schluss gezogen, dass Geckos etwas anderes verwenden.

Der kanadische Wissenschaftler Alexander Penlidis glaubt, dass dieses Experiment falsch war. Tatsache ist, dass der Kontakt zwischen den Beinen des Geckos und der Oberfläche extrem eng ist, wodurch ionisierte Moleküle einfach nicht in der Lage sind, zwischen die ultrakleinen Strukturen der Beine und der Oberfläche einzudringen und die Wechselwirkung zu neutralisieren.

Griff der Geckopfoten mit Oberflächenunregelmäßigkeiten . Diese Erklärung ist auch nicht geeignet, da sich Geckos auf einer vertikalen Oberfläche aus poliertem Glas bewegen können. Darüber hinaus können sie sich entlang der Decke aus demselben Material bewegen.


Foto: wikipedia

Mit dem Aufkommen des Elektronenmikroskops wurde die Pfote des Geckos eingehend untersucht. Wie sich herausstellte, ist es mit extrem dünnen Borsten bedeckt, deren Länge bis zu Hunderten von Mikrometern beträgt. Die Borstenkonzentration pro Flächeneinheit der Pfote ist sehr hoch: mehr als 14.000 Haare pro 1 mm 2 . Jede Borste wiederum ist keine monolithische Formation, sondern wird am Ende in 400-1000 noch kleinere Fasern unterteilt. Die Dicke solcher Fasern beträgt 0,2 µm. Auf 1 cm 2Der Kontakt mit der Oberfläche macht etwa 2 Milliarden Fasern aus, von denen sich jede gegen Ende ausdehnt.


a. Geckofuß b. Das "Kissen" eines Geckofingers unter einem Mikroskop c. Eine der Pfotenborsten des Geckos. Sie nimmt stark zu. Maximale Borstenzunahme (Foto: somuchnews ).

Amerikanische Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Pfote des Geckos einen Strom von 10 Newton pro 1 cm 2 hat.. Eine solche Haftung ist nur bei glatten Oberflächen möglich, an denen fast alle Fasern an den Beinen des Tieres beteiligt sind. Wenn es sich um Oberflächen handelt, die häufig in Gecko-Lebensräumen vorkommen - Felsen, Bäume -, ist hier nur ein Teil der Fasern auf den Pfoten beteiligt (aufgrund der großen Anzahl von Unregelmäßigkeiten auf diesen Oberflächen), aber dies reicht aus, um das Tier an Ort und Stelle zu halten.

Wie sich herausstellte, haften die mikroskopisch kleinen Haare an den Beinen des Geckos mittels Van-der-Waals-Kräften an der Auflagefläche. Van der Vaals Kräfte- Die Kräfte der intermolekularen (und interatomaren) Wechselwirkung mit einer Energie von 10–20 kJ / mol. Die Basis der Van-der-Waals-Kräfte sind die Coulomb-Wechselwirkungskräfte zwischen den Elektronen und Kernen eines Moleküls und den Kernen und Elektronen eines anderen. In einem bestimmten Abstand zwischen den Molekülen gleichen sich die Anziehungs- und Abstoßungskräfte aus und es entsteht ein stabiles System. Es ist genau ein solches System, dass die Pfote des Geckos die Oberfläche ausgleicht, mit der er in Kontakt steht.

Die komplexe Struktur der Pfote bietet eine weitere Eigenschaft - die Hydrophobizität. Die Pfote weist Wasser und Schmutz ab, sodass sich der Gecko auf nassen Oberflächen gut bewegen kann.

Der Gecko löst die Pfote leicht von der Oberfläche, auf der sie befestigt ist. Hierfür wird ein spezieller Mechanismus verwendet. Tatsache ist, dass sich eine an einem Material befestigte Borste leicht ablösen kann, wenn der Winkel zwischen der Faser und der Oberfläche mehr als 30 ° beträgt. Beim Bewegen und Ändern des Kontaktwinkels der Pfoten und der Oberfläche kann der Gecko die Pfoten leicht fixieren und abnehmen. Die Energiekosten für diesen Prozess sind minimal.

Vand der Waals Kräfte oder etwas anderes?


Vor zwei Jahren beschloss der kanadische Wissenschaftler Alexander Penlidis, den Mechanismus der Adhäsion der Pfoten des Geckos an Oberflächen unabhängig zu untersuchen. Wie sich herausstellte, findet beim Berühren der Pfoten und der Oberfläche ein Austausch elektrischer Ladungen statt. Infolgedessen wird an der Pfote eine positive elektrostatische Ladung und an der Oberfläche eine negative Ladung gebildet.

Penlidis experimentierte mit zwei Arten von Polymeroberflächen - Teflon AF und Polydimethylsiloxan. Nach den Schlussfolgerungen des Wissenschaftlers nach den Ergebnissen der Studie korrelierte die Adhäsionskraft mit der Größe der elektrostatischen Ladung der Pfote und der Oberfläche. Daraus folgt, dass die elektrische Ladung die Hauptrolle bei der Haftung der Pfote an den Oberflächen spielt.



Die Studie ist interessant, beantwortet aber nicht die wichtige Frage, wie der Gecko auf sehr unebenen Oberflächen gehalten wird, auf denen es viel schwieriger ist, mit elektrischer Ladung eine Haftung zu erzielen, als auf einer ebenen Oberfläche. Vielleicht haben die Beine des Geckos einen doppelten Kopplungsmechanismus - sowohl Van-der-Waals-Kräfte als auch elektrische Ladung.

Wassereffekt


In den allermeisten Fällen führten Wissenschaftler Experimente mit Geckos in trockener Umgebung durch. Wissenschaftler der Akron University beschlossen zu prüfen, wie gut sich die Eidechse auf nassen Oberflächen bewegen kann. Wie sich herausstellte, hält das Tier , wenn Sie Wasser auf eine Glasplatte sprühen , auf einer solchen Oberfläche viel schlechter als auf derselben Platte ohne Wassertropfen.



Trotzdem schafft es der Gecko, auf der nassen Oberfläche zu bleiben. Wenn die Platte jedoch in geringer Wassertiefe eingetaucht ist und der Gecko erneut auf die Platte gelegt wird, kann die Eidechse unter solchen Bedingungen nicht auf der Oberfläche bleiben. Wenn Sie die Beine des Geckos anderthalb Stunden lang ins Wasser tauchen und dann auf das Glas stellen, rutscht es ab und kann nicht mehr Fuß fassen.

Laut Alyssa Stark von der Akron University ist dies darauf zurückzuführen, dass Wasser die Kräfte der Van-der-Waals-Wechselwirkung stört und die Beine des Geckos nicht an der Oberfläche befestigt werden können.

Nicht nur Pfoten


Der gesamte Körper des Geckos ist an dem Mechanismus der Befestigung von Pfoten an der Oberfläche beteiligt, sagen Wissenschaftler der University of Massachusetts in Amherst. Der Körper des Reptils spielt laut Alfred Crosby (Alfred Crosby) die Rolle einer Feder, die die Pfoten an die Oberfläche drückt. Und je größer das Körpergewicht des Geckos ist, desto stärker ist dieser Frühling . Dank dieses Mechanismus werden große Geckos und nicht nur ihre kleinen Verwandten auf jeder Oberfläche perfekt gehalten.

Trotz der Tatsache, dass Alexander Penlidis den Einfluss elektrischer Ladung auf die Haftfähigkeit von Geckopfoten nachweisen konnte, unterstützen die meisten Experten immer noch die Sichtweise des Haftmechanismus, der auf den Kräften von van der Waals basiert. Jetzt versuchen Wissenschaftler, ein weiteres interessantes Problem zu erklären - den Ursprung dieses Mechanismus im Evolutionsprozess.

Gecko Scotch


Seitdem der Mechanismus der Beine des Geckos allgemein verstanden wurde, haben die Menschen versucht, ihn künstlich zu reproduzieren. Insbesondere hat die DARPA-Agentur Kletterausrüstung entwickelt, mit der eine Person mit einem Gewicht von 122 kg (Körpergewicht + Nutzlast) eine Glaswand bis zu einer Höhe von 7,6 m erklimmen kann . Ein Stanford-Ingenieur hat einen Roboter entwickelt , der fast glatte Oberflächen besteigen kann. Robotermanipulatoren sind auch den Beinen eines Geckos nachempfunden. Und Experten der University of Pennsylvania entwickelten sichEin neuartiger hochpräziser Greifer, der in der Produktion für die Arbeit mit Kleinteilen verwendet werden kann. Die Entwicklung eines Superklebebandes, das vielen Nutzungszyklen standhält und dessen Oberfläche bei längerem Gebrauch nicht verunreinigt ist, ist ebenfalls im Gange. Die NASA hat ein spezielles Reittier entwickelt , das sowohl auf der Erde als auch in der Schwerelosigkeit im Weltraum eingesetzt werden kann. Sie können Waren mit einem speziellen "Klettverschluss" an Oberflächen befestigen, der im Bild und in der Ähnlichkeit der Oberfläche des Geckofußes erstellt wurde.

Source: https://habr.com/ru/post/de396299/

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