Fourrure de castor comme échantillon d'une combinaison

Castor ordinaire Les castors

et les loutres de mer (loutres de mer) manquent d'une épaisse couche de graisse qui retient la chaleur chez les morses et les baleines. Néanmoins, les petits rongeurs semi-aquatiques parviennent à rester au chaud et même au sec, plongeant sous l'eau. Les scientifiques s'intéressent beaucoup à la structure de la peau de fourrure de castor. Il peut être possible de construire artificiellement le même matériau hydrophobe.

Les caractéristiques hydrophobes de la fourrure de castor et l'isolation thermique du corps sont dues au fait que des poches d'air chaud se forment dans la fourrure de castor. Ils fonctionnent comme isolant.

Les ingénieurs du Massachusetts Institute of Technology ont pris une telle structure comme modèle - et ont fabriqué des peaux élastiques en fourrure à partir de matériaux artificiels . Avec leur aide, ils ont étudié les processus physiques qui se produisent lorsque des bulles d'air se coincent entre les cheveux individuels dans les cheveux et que le matériau est immergé dans un liquide.

Les résultats de l'étude ont été publiés le 29 juillet 2016 dans la revue Physical Review Fluids (doi: 10.1103 / PhysRevFluids.1.033905).

"Nous sommes particulièrement intéressés par les combinaisons de natation, où les athlètes bougent alternativement les membres dans différents environnements - air et eau", a déclaréAnette (Peko) Hosoi (Anette (Peko) Hosoi), professeur de génie mécanique et doyen du département concerné du Massachusetts Institute of Technology. - On peut contrôler la longueur des poils, la distance entre eux et la position relative. Cela vous permet de concevoir des textures qui sont parfaitement adaptées à la vitesse d'un nageur particulier, avec une zone maximale de tissu sec. " Dans la préparation des travaux scientifiques, la professeure a été assistée par des collègues de son département, ainsi que par des spécialistes de disciplines connexes, dont l'instructeur du MIT en mathématiques appliquées.

Cet exemple montre que pour de nombreux problèmes d'ingénierie, l'humanité peut trouver des exemples de solutions efficaces dans la nature. Dans ce cas, la tâche a été fixée pour trouver l'équivalent biologique des combinaisons de natation, de sorte que le tissu sèche aussi rapidement que possible après avoir été retiré de l'eau, tout en conservant les propriétés thermostatiques, c'est-à-dire en fournissant au nageur de la chaleur sous l'eau.

La question a été adressée aux biologistes. Et ils ont conseillé de chercher une solution chez les animaux semi-aquatiques comme le castor.

Lorsque les ingénieurs ont commencé à étudier le sujet, ils ont découvert que les animaux ont en fait deux types de poils: 1) un long manteau protecteur extérieur et 2) un sous-poil court et dense. Les scientifiques suggèrent que la première couche protège la seconde de l'eau, mais jusqu'à présent, il n'y a pas eu de compréhension scientifique claire et de modèle sur la façon dont ce processus se produit. Le tableau répertorie les études scientifiques antérieures sur l'étude de différents types de laine chez les animaux semi-aquatiques.

À cette fin, un groupe de chercheurs du MIT a conçu un matériau élastique artificiel. Sur des moules en acrylique, des trous ont été brûlés sous le contrôle d'un programme informatique selon un schéma donné, avec le respect exact de la distance entre les trous. Une préforme de polydiméthylsiloxane, un matériau souple semblable à du caoutchouc, a ensuite été placée dans le moule. Il a pris la bonne forme sous pression et température.

L'illustration montre les caractéristiques de ce matériau, où les particules de laine sont situées dans une structure hexagonale, et la distance entre les laines est égale à leur diamètre. Le matériau a été immergé dans des liquides à différentes vitesses à l'aide d'installations motorisées spéciales. Le diagramme ci-dessous montre les résultats d'une expérience lorsqu'un matériau est immergé dans un liquide à une vitesse de 5 mm / s. Les poches d'air sont représentées en noir.

Le matériau a été immergé dans l'eau à différentes vitesses et les expériences ont été enregistrées sur vidéo.



Il s'est avéré que, lorsqu'ils sont immergés dans un liquide entre des poils individuels, des capillaires capillaires particuliers se forment avec de l'air. L'eau ne peut pénétrer qu'à une certaine profondeur.

Le rapport de la région sèche des cheveux sur la longueur totale des cheveux a été étudié expérimentalement, en fonction de la densité du liquide, de la vitesse d'immersion et de la distance entre les cheveux dans un analogue artificiel des cheveux de castor.

L'expérience a montré que la couche d'air dans la sous-couche s'amincit avec une augmentation de la profondeur d'immersion et une diminution de la vitesse d'immersion. De plus, l'épaisseur de la couche d'air dépend de l'épaisseur de la racine des cheveux. D'un point de vue physique, la pression du fluide pousse les bulles d'air hors du «piège» capillaire, mais la viscosité et la densité du fluide inhibent leur mouvement.

Il s'est avéré très important de savoir comment les poils sont situés les uns par rapport aux autres. Les scientifiques ont réussi à créer un modèle mathématique qui décrit les propriétés d'un matériau en fonction de sa structure. Ainsi, il est possible de choisir la longueur optimale des cheveux, l'épaisseur des cheveux et la distance entre eux en fonction de la densité du fluide et de la vitesse du corps.

Connaissant la formule, nous pouvons maintenant dire clairement, en regardant l'échantillon de laine, s'il retiendra l'air ou non - dans quel liquide et à quelle vitesse.

Les auteurs des travaux scientifiques pensent que leur étude peut être appliquée non seulement au développement de combinaisons plus efficaces, mais également dans d'autres domaines de la science des matériaux. Par exemple, pour calculer les caractéristiques les plus efficaces des revêtements protecteurs. Lors de l'application de tels revêtements, le matériau est immergé dans un liquide. Vous pouvez maintenant calculer s'il y aura des bulles d'air sous le liquide. Et à quelle vitesse vous devez immerger le matériau dans le bain pour vous débarrasser des bulles d'air.

Source: https://habr.com/ru/post/fr398111/