Física en el mundo animal: pata de geco
Foto: WikimediaGeckos son habitantes de las regiones tropicales y subtropicales del Viejo y Nuevo Mundo. Estos lagartos viven tanto en continentes como en islas, el rango de su distribución es extenso. Los geckos tienen una característica: pueden permanecer en casi cualquier superficie. Incluso una pata sostiene el peso corporal del animal. La superficie puede ser cualquier cosa: madera, roca, incluso vidrio pulido.Los griegos antiguos prestaron atención a la capacidad del gecko para aferrarse a cualquier cosa. Aristóteles trató de comprender el principio de asegurar las patas de un lagarto; los científicos medievales también estaban interesados en los geckos. Están siendo estudiados en nuestro tiempo. Hay varias teorías que explican las habilidades sobresalientes de estos lagartos en el "montañismo".Ventosas en los dedos. Una de las primeras explicaciones que parecía bastante lógica. Es cierto que después de estudiar las patas del gecko bajo un microscopio, resultó que no había ventosas en los dedos. Desafortunadamente, el mito del tonto todavía está vivo hoy.La electrostática . Otra explicación plausible, que fue capaz de refutar (aunque hay algunas confirmaciones de esta teoría, hablaremos de ellas a continuación), creando condiciones bajo las cuales simplemente no podría haber carga en las patas del gecko. El animal todavía estaba firmemente sujeto sobre una superficie lisa.Se recibió una refutación en los años 30 del siglo pasado. El científico alemán Wolf-Dietrich Dellit (Wolf-Dietrich Dellit) dirigió el flujo de aire ionizado hacia las patas del gecko, que se mantuvo sobre una superficie de metal. Se suponía que la ionización, según Dellit, neutralizaría o reduciría significativamente la fuerza de adhesión de las patas a la superficie, si el mecanismo de acoplamiento tuviera una naturaleza eléctrica. Esto no sucedió, por lo que se concluyó que los geckos están usando otra cosa.El científico canadiense Alexander Penlidis cree que este experimento fue incorrecto. El hecho es que el contacto entre las patas del gecko y la superficie es extremadamente apretado, como resultado de lo cual las moléculas ionizadas simplemente no pueden penetrar entre las estructuras ultrapequeñas de las patas y la superficie y neutralizar la interacción.Agarre de patas de gecko con irregularidades en la superficie . Esta explicación tampoco es adecuada, porque los geckos pueden moverse sobre una superficie vertical de vidrio pulido. Además, pueden moverse a lo largo del techo del mismo material.
Foto: wikipediaCon el advenimiento del microscopio electrónico, se estudió en detalle la pata del gecko. Al final resultó que, está cubierto de cerdas extremadamente delgadas, cuya longitud es de hasta cientos de micrómetros. La concentración de cerdas por unidad de superficie de la pata es muy alta: más de 14,000 pelos por 1 mm 2 . Cada cerda, a su vez, no es una formación monolítica, sino que se divide al final en 400-1000 fibras aún más pequeñas. El grosor de tales fibras es de 0.2 μm. En 1 cm 2El contacto con la superficie representa alrededor de 2 mil millones de fibras, cada una de las cuales se expande hacia el final.
a. Pie de geco b. La "almohada" de un dedo gecko bajo un microscopio c. Una de las cerdas de la pata del gecko. Se encuentra bajo un gran aumento. Aumento máximo de las cerdas (foto: somuchnews ).Los científicos estadounidenses han descubierto que la pata del gecko tiene una corriente de 10 Newton por 1 cm 2.. Tal adhesión es posible solo para superficies lisas, donde están involucradas casi todas las fibras en las patas del animal. Si hablamos de superficies que a menudo se encuentran en hábitats de gecos: rocas, árboles, solo una parte de las fibras en las patas está involucrada aquí (debido a la gran cantidad de irregularidades en estas superficies), pero esto es suficiente para mantener al animal en su lugar.Al final resultó que, los pelos microscópicos en las patas del geco se adhieren a la superficie de apoyo por medio de las fuerzas de van der Waals. Fuerzas de Van der Vaals—Las fuerzas de interacción intermolecular (e interatómica) con una energía de 10-20 kJ / mol. La base de las fuerzas de van der Waals son las fuerzas de interacción de Coulomb entre los electrones y los núcleos de una molécula y los núcleos y electrones de otra. A cierta distancia entre las moléculas, las fuerzas de atracción y repulsión se equilibran entre sí, y se forma un sistema estable. Es precisamente un sistema tal que la pata del gecko se compensa con la superficie con la que está en contacto.La compleja estructura de la pata proporciona una propiedad más: la hidrofobicidad. La pata repele el agua y la suciedad, por lo que el geco puede moverse bien en superficies mojadas.El gecko separa fácilmente la pata de la superficie en la que está unida. Se utiliza un mecanismo especial para esto. El hecho es que una cerda unida a cualquier material puede desprenderse fácilmente si el ángulo entre la fibra y la superficie es superior a 30 °. Al moverse, cambiando el ángulo de contacto de las patas y la superficie, el gecko repara y separa fácilmente las patas. Los costos de energía para este proceso son mínimos.¿Las fuerzas de Vand der Waals o algo más?
Hace dos años, el científico canadiense Alexander Penlidis decidió estudiar de forma independiente el mecanismo de adhesión de las patas del gecko a las superficies. Al final resultó que, cuando las patas y la superficie se tocan, se produce un intercambio de cargas eléctricas. Como resultado, se forma una carga electrostática positiva en la pata y una carga negativa en la superficie.Penlidis experimentó con dos tipos de superficies de polímeros: teflón AF y polidimetilsiloxano. Según las conclusiones hechas por el científico según los resultados del estudio, la fuerza de adhesión se correlacionó con la magnitud de la carga electrostática de la pata y la superficie. Y de esto se deduce que es la carga eléctrica la que desempeña el papel principal en la adhesión de la pata a las superficies.
El estudio es interesante, pero no responde a la pregunta importante: cómo se mantiene el gecko en superficies muy desiguales, donde es mucho más difícil proporcionar adhesión usando una carga eléctrica que en una superficie plana. Quizás las patas del gecko tienen un doble mecanismo de acoplamiento: tanto las fuerzas de van der Waals como la carga eléctrica.Efecto agua
En la gran mayoría de los casos, los científicos realizaron experimentos con geckos en un ambiente seco. Los científicos de la Universidad de Akron decidieron verificar qué tan bien se puede mover el lagarto en superficies mojadas. Al final resultó que, si rocía agua sobre una placa de vidrio, entonces el animal se sostiene en una superficie mucho peor que en la misma placa sin gotas de agua.Sin embargo, el gecko logra permanecer en la superficie húmeda. Pero si la placa se sumerge a poca profundidad en el agua, y el gecko se coloca nuevamente en la placa, entonces el lagarto no puede permanecer en la superficie bajo tales condiciones. Si sumerges las patas del gecko en el agua durante una hora y media, y luego lo pones en el vaso, se desliza, incapaz de establecerse.Según Alyssa Stark de la Universidad de Akron, esto se debe al hecho de que el agua interfiere con las fuerzas de la interacción de van der Waals, y las patas del gecko no se pueden fijar en la superficie.No solo patas
Todo el cuerpo del gecko está involucrado en el mecanismo de fijación de las patas en la superficie, dicen científicos de la Universidad de Massachusetts en Amherst. El cuerpo del reptil, según Alfred Crosby (Alfred Crosby), desempeña el papel de un resorte, que presiona las patas hacia la superficie. Y cuanto mayor sea el peso corporal del geco, más fuerte esta primavera . Gracias a este mecanismo, los geckos grandes, y no solo sus pequeños parientes, se mantienen perfectamente en cualquier superficie.A pesar del hecho de que Alexander Penlidis pudo demostrar la influencia de la carga eléctrica en la capacidad adhesiva de las patas de gecko, la mayoría de los expertos aún apoyan el punto de vista sobre el mecanismo de adhesión basado en las fuerzas de van der Waals. Ahora los científicos están tratando de explicar otro problema interesante: el origen de este mecanismo en el proceso de evolución.Gecko Scotch
Dado que el mecanismo de las patas del gecko se ha entendido en general, la gente ha estado tratando de reproducirlo artificialmente. En particular, la agencia DARPA creó un equipo de escalada que permite a una persona que pesa 122 kg (peso corporal + carga útil) escalar una pared de vidrio hasta una altura de 7,6 m. Un ingeniero de Stanford creó un robot que puede escalar superficies lisas casi transparentes. Los manipuladores de robots también se modelan en las patas de un gecko. Y expertos de la Universidad de Pensilvania desarrollaronUn nuevo tipo de pinza de alta precisión que se puede utilizar en producción para trabajar con piezas pequeñas. El desarrollo de una cinta súper adhesiva, que puede soportar muchos ciclos de uso y cuya superficie no está contaminada con el uso prolongado, también está en marcha. La NASA ha desarrollado un montaje especial que puede usarse tanto en la Tierra como en gravedad cero en el espacio. Le permite sujetar productos a las superficies utilizando un "Velcro" especial creado a imagen y semejanza de la superficie del pie del gecko.Source: https://habr.com/ru/post/es396299/
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