Biberfell als Probe eines Neoprenanzugs

Gewöhnliche Biber

Biber und Seeotter (Seeotter) haben keine dicke Fettschicht, die die Wärme zwischen Walrossen und Walen speichert. Trotzdem schaffen es kleine semi-aquatische Nagetiere, warm und sogar trocken zu bleiben und unter Wasser zu tauchen. Wissenschaftler sind sehr an der Struktur der Biberfellhaut interessiert. Es kann möglich sein, dasselbe hydrophobe Material künstlich zu konstruieren.

Die hydrophoben Eigenschaften des Biberfells und die Wärmeisolierung des Körpers treten aufgrund der Tatsache auf, dass sich im Biberfell Taschen mit warmer Luft bilden. Sie wirken als Isolator.

Ingenieure am Massachusetts Institute of Technology nahmen eine solche Struktur als Modell - und stellten pelzartige elastische Häute aus künstlichem Material her . Mit ihrer Hilfe untersuchten sie, welche physikalischen Prozesse ablaufen, wenn Luftblasen zwischen einzelnen Haaren im Haar stecken bleiben und das Material in eine Flüssigkeit getaucht wird.

Die Ergebnisse der Studie wurden veröffentlicht 29. Juli 2016 im Journal of Physical Review, Flüssigkeiten (doi: 10.1103 / PhysRevFluids.1.033905).

"Wir sind besonders an Neoprenanzügen zum Schwimmen interessiert, bei denen Sportler abwechselnd Gliedmaßen in verschiedenen Umgebungen bewegen - Luft und Wasser", sagte erAnette (Peko) Hosoi (Anette (Peko) Hosoi), Professorin für Maschinenbau und Dekanin der zuständigen Abteilung des Massachusetts Institute of Technology. - Wir können die Länge der Haare, den Abstand zwischen ihnen und die relative Position steuern. Auf diese Weise können Sie Texturen entwerfen, die für die Geschwindigkeit eines bestimmten Schwimmers optimal geeignet sind und eine maximale Fläche an trockenem Gewebe aufweisen. “ Bei der Vorbereitung der wissenschaftlichen Arbeit wurde die Professorin von Kollegen aus ihrer Abteilung sowie von Spezialisten aus verwandten Disziplinen unterstützt, darunter der MIT-Ausbilder für angewandte Mathematik.

Dieses Beispiel zeigt, dass die Menschheit für viele technische Probleme Beispiele für effektive Lösungen in der Natur finden kann. In diesem Fall bestand die Aufgabe darin, das biologische Äquivalent von Neoprenanzügen zum Schwimmen zu finden, damit der Stoff nach dem Entfernen aus dem Wasser so schnell wie möglich trocknet, gleichzeitig aber die thermoregulatorischen Eigenschaften beibehält, dh den Schwimmer unter Wasser mit Wärme versorgt.

Die Frage wurde an Biologen gerichtet. Und sie rieten, nach einer Lösung für semi-aquatische Tiere wie Biber zu suchen.

Als die Ingenieure begannen, das Thema zu untersuchen, stellten sie fest, dass die Tiere tatsächlich zwei Arten von Fell haben: 1) ein langes äußeres Schutzmantel und 2) eine kurze, dichte Unterwolle. Wissenschaftler schlagen vor, dass die erste Schicht die zweite vor Wasser schützt, aber bisher gab es kein klares wissenschaftliches Verständnis und Modell dafür, wie dieser Prozess abläuft. In der Tabelle sind frühere wissenschaftliche Studien zur Untersuchung verschiedener Wollsorten bei semi-aquatischen Tieren aufgeführt.

Zu diesem Zweck entwarf eine Gruppe von Forschern des MIT künstliches elastisches Material. Auf Acrylformen wurden Löcher unter der Kontrolle eines Computerprogramms gemäß einem gegebenen Muster unter genauer Einhaltung des Abstands zwischen den Löchern gebrannt. Ein Vorformling aus Polydimethylsiloxan, einem weichen gummiartigen Material, wurde dann in die Form gegeben. Unter Druck und Temperatur nahm er die richtige Form an.

Die Abbildung zeigt die Eigenschaften dieses Materials, bei dem sich die Wollpartikel in einer hexagonalen Struktur befinden und der Abstand zwischen den Wolle gleich ihrem Durchmesser ist. Das Material wurde mit speziellen motorisierten Anlagen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Flüssigkeiten eingetaucht. Das folgende Diagramm zeigt die Ergebnisse eines Experiments, wenn ein Material mit einer Geschwindigkeit von 5 mm / s in eine Flüssigkeit eingetaucht wird. Lufteinschlüsse sind schwarz dargestellt.

Das Material wurde mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Wasser getaucht und die Experimente wurden auf Video aufgezeichnet.



Wie sich herausstellte, bilden sich beim Eintauchen in eine Flüssigkeit zwischen einzelnen Haaren eigenartige Kapillarstopfen mit Luftform. Wasser kann nur bis zu einer bestimmten Tiefe eindringen.

Das Verhältnis des trockenen Bereichs der Haare zur Gesamtlänge der Haare wurde experimentell untersucht, abhängig von der Dichte der Flüssigkeit, der Eintauchgeschwindigkeit und dem Abstand zwischen den Haaren in einem künstlichen Analogon von Biberhaar.

Das Experiment zeigte, dass die Luftschicht in der Grundierung mit zunehmender Eintauchtiefe und abnehmender Eintauchgeschwindigkeit dünner wird. Außerdem hängt die Dicke der Luftschicht von der Dicke des Haaransatzes ab. Aus physikalischer Sicht drückt der Flüssigkeitsdruck Luftblasen aus der Haarfalle, aber die Viskosität und Dichte der Flüssigkeit hemmen ihre Bewegung.

Es stellte sich als sehr wichtig heraus, wie die Haare relativ zueinander angeordnet sind. Den Wissenschaftlern gelang es, ein mathematisches Modell zu erstellen, das die Eigenschaften eines Materials in Abhängigkeit von seiner Struktur beschreibt. Somit ist es möglich, die optimale Länge der Haare, die Dicke der Haare und den Abstand zwischen ihnen in Abhängigkeit von der Dichte der Flüssigkeit und der Geschwindigkeit des Körpers zu wählen.

Wenn wir die Formel kennen, können wir jetzt anhand der Wollprobe klar sagen, ob sie die Luft hält oder nicht - in welcher Flüssigkeit und mit welcher Geschwindigkeit.

Die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit glauben, dass ihre Studie nicht nur zur Entwicklung effektiverer Neoprenanzüge, sondern auch in anderen Bereichen der Materialwissenschaft eingesetzt werden kann. Zum Beispiel bei der Berechnung der effektivsten Eigenschaften von Schutzbeschichtungen. Beim Aufbringen solcher Beschichtungen wird das Material in eine Flüssigkeit getaucht. Jetzt können Sie berechnen, ob sich unter der Flüssigkeit Luftblasen befinden. Und mit welcher Geschwindigkeit müssen Sie das Material in das Bad eintauchen, um Luftblasen zu entfernen.

Source: https://habr.com/ru/post/de398111/