Piel de castor como muestra de un traje de neopreno

Castor ordinario Los

castores y las nutrias marinas (nutrias marinas) carecen de una gruesa capa de grasa que retiene el calor entre las morsas y las ballenas. Sin embargo, los pequeños roedores semiacuáticos logran mantenerse calientes e incluso secos, buceando bajo el agua. Los científicos están muy interesados ​​en la estructura de la piel de piel de castor. Puede ser posible construir el mismo material hidrófobo artificialmente.

Las características hidrofóbicas de la piel de castor y el aislamiento térmico del cuerpo se producen debido al hecho de que se forman bolsas de aire caliente en la piel de castor. Funcionan como un aislante.

Los ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts tomaron esa estructura como modelo e hicieron pieles elásticas con forma de piel a partir de material artificial . Con su ayuda, estudiaron qué procesos físicos ocurren cuando las burbujas de aire se atascan entre los cabellos individuales del cabello y el material se sumerge en un líquido.

Los resultados del estudio se publicaron el 29 de julio de 2016 en la revista Physical Review Fluids (doi: 10.1103 / PhysRevFluids.1.033905).

"Estamos particularmente interesados ​​en los trajes de neopreno para nadar, donde los atletas mueven alternativamente las extremidades en diferentes entornos: aire y agua", dijoAnette (Peko) Hosoi (Anette (Peko) Hosoi), profesora de ingeniería mecánica y decana del departamento correspondiente del Instituto de Tecnología de Massachusetts. - Podemos controlar la longitud de los pelos, la distancia entre ellos y la posición relativa. Esto le permite diseñar texturas que se adaptan de manera óptima a la velocidad de un nadador en particular, con un área máxima de tejido seco ". En la preparación del trabajo científico, la profesora fue asistida por colegas de su departamento, así como por especialistas de disciplinas relacionadas, incluido el instructor del MIT en matemáticas aplicadas.

Este ejemplo muestra que para muchos problemas de ingeniería, la humanidad puede encontrar ejemplos de soluciones efectivas en la naturaleza. En este caso, la tarea se estableció para encontrar el equivalente biológico de los trajes de neopreno para nadar, de modo que la tela se seque lo más rápido posible después de ser retirada del agua, pero al mismo tiempo mantiene las propiedades termostáticas, es decir, proporciona al nadador calor bajo el agua.

La pregunta fue dirigida a los biólogos. Y aconsejaron buscar una solución en animales semiacuáticos como el castor.

Cuando los ingenieros comenzaron a estudiar el tema, descubrieron que los animales en realidad tienen dos tipos de pelaje: 1) una capa protectora externa larga y 2) una capa interna corta y densa. Los científicos sugieren que la primera capa protege a la segunda del agua, pero hasta ahora no ha habido una comprensión científica clara y un modelo de cómo ocurre este proceso. La tabla enumera estudios científicos previos sobre el estudio de diferentes tipos de lana en animales semiacuáticos.

Con este fin, un grupo de investigadores del MIT diseñó material elástico artificial. En los moldes acrílicos, los agujeros se quemaron bajo el control de un programa de computadora de acuerdo con un patrón dado, con la observación exacta de la distancia entre los agujeros. Luego se colocó en el molde una preforma de polidimetilsiloxano, un material similar al caucho blando. Tomó la forma correcta bajo presión y temperatura.

La ilustración muestra las características de este material, donde las partículas de lana se encuentran en una estructura hexagonal, y la distancia entre las lanas es igual a su diámetro. El material se sumergió en líquidos a diferentes velocidades utilizando instalaciones especiales motorizadas. El siguiente diagrama muestra los resultados de un experimento cuando un material se sumerge en un líquido a una velocidad de 5 mm / s. Las bolsas de aire se muestran en negro.

El material se sumergió en agua a diferentes velocidades y los experimentos se grabaron en video.



Al final resultó que, cuando se sumerge en un líquido entre cabellos individuales, se forman peculiares "tapones" capilares con aire. El agua puede penetrar solo hasta cierta profundidad.

La relación entre la región seca de los pelos y la longitud total de los pelos se estudió experimentalmente, dependiendo de la densidad del líquido, la velocidad de inmersión y la distancia entre los pelos en un análogo artificial del pelo de castor.

El experimento mostró que la capa de aire en la capa inferior se vuelve más delgada con un aumento en la profundidad de inmersión y una disminución en la velocidad de inmersión. Además, el grosor de la capa de aire depende del grosor de la línea del cabello. Desde un punto de vista físico, la presión del fluido empuja las burbujas de aire fuera de la "trampa" del cabello, pero la viscosidad y la densidad del fluido inhiben su movimiento.

Resultó ser muy importante cómo se ubican los pelos entre sí. Los científicos lograron crear un modelo matemático que describe las propiedades de un material dependiendo de su estructura. Por lo tanto, es posible elegir la longitud óptima de los pelos, el grosor de los pelos y la distancia entre ellos dependiendo de la densidad del fluido y la velocidad del cuerpo.

Conociendo la fórmula, ahora podemos decir claramente, mirando la muestra de lana, si retendrá el aire o no, en qué líquido ya qué velocidad.

Los autores del trabajo científico creen que su estudio puede aplicarse no solo en el desarrollo de trajes de neopreno más efectivos, sino también en otras áreas de la ciencia de los materiales. Por ejemplo, al calcular las características más efectivas de los recubrimientos protectores. En el proceso de aplicación de tales recubrimientos, el material se sumerge en un líquido. Ahora puede calcular si habrá burbujas de aire debajo del líquido. Y a qué velocidad necesita sumergir el material en el baño para eliminar las burbujas de aire.

Source: https://habr.com/ru/post/es398111/