Física no mundo animal: pata de lagartixa
Foto: WikimediaGeckos são habitantes das regiões tropicais e subtropicais do Velho e do Novo Mundo. Esses lagartos vivem tanto nos continentes quanto nas ilhas, o alcance de sua distribuição é extenso. Lagartixas têm uma característica - eles podem ficar em praticamente qualquer superfície. Mesmo uma pata mantém o peso corporal do animal. A superfície pode ser qualquer coisa - madeira, pedra e até vidro polido.A capacidade da lagartixa de se apegar a qualquer coisa foi prestada atenção pelos antigos gregos. Aristóteles tentou entender o princípio de proteger as patas de um lagarto; os cientistas medievais também estavam interessados em lagartixas. Eles estão sendo estudados em nosso tempo. Existem várias teorias que explicam as excelentes habilidades desses lagartos no "alpinismo".Otários nos dedos. Uma das primeiras explicações que parecia bastante lógica. É verdade que, depois de estudar as patas da lagartixa sob um microscópio, descobriu-se que não havia ventosas nos dedos. Infelizmente, o mito do otário ainda está vivo hoje.Eletrostática . Outra explicação plausível, que foi capaz de refutar (embora existam algumas confirmações dessa teoria, falaremos sobre elas abaixo), criando condições sob as quais simplesmente não poderia haver carga nas pernas da lagartixa. O animal ainda estava firmemente preso em uma superfície lisa.Uma refutação foi recebida nos anos 30 do século passado. O cientista alemão Wolf-Dietrich Dellit (Wolf-Dietrich Dellit) direcionou o fluxo de ar ionizado em direção às pernas da lagartixa, que era mantida em uma superfície de metal. A ionização, de acordo com Dellit, deveria neutralizar ou reduzir significativamente a força de adesão das patas à superfície, se o mecanismo de acoplamento tivesse natureza elétrica. Isso não aconteceu, então concluiu-se que as lagartixas estão usando outra coisa.O cientista canadense Alexander Penlidis acredita que esse experimento foi incorreto. O fato é que o contato entre as pernas da lagartixa e a superfície é extremamente apertado, como resultado das quais as moléculas ionizadas simplesmente não conseguem penetrar entre as estruturas ultra-pequenas das patas e a superfície e neutralizam a interação.Aperto de patas de lagartixa com irregularidades na superfície . Essa explicação também não é adequada, porque as lagartixas podem se mover em uma superfície vertical de vidro polido. Além disso, eles podem se mover ao longo do teto do mesmo material.
Foto: wikipediaCom o advento do microscópio eletrônico, a pata da lagartixa foi estudada em detalhes. Como se viu, é coberto com cerdas extremamente finas, cujo comprimento é de até centenas de micrômetros. A concentração de cerdas por unidade de superfície da pata é muito alta: mais de 14.000 cabelos por 1 mm 2 . Cada cerda, por sua vez, não é uma formação monolítica, mas é dividida no final em 400-1000 fibras ainda menores. A espessura dessas fibras é de 0,2 μm. Em 1 cm 2O contato com a superfície é responsável por cerca de 2 bilhões de fibras, cada uma das quais se expande no final.
a. Pé de lagartixa b. O “travesseiro” de um dedo de lagartixa sob um microscópio c. Uma das cerdas da pata da lagartixa. Está sob um grande aumento. Aumento máximo da cerda (foto: somuchnews ).Cientistas americanos descobriram que a pata da lagartixa tem uma corrente de 10 Newton por 1 cm 2.. Essa adesão é possível apenas para superfícies lisas, onde quase todas as fibras das pernas do animal estão envolvidas. Se estamos falando de superfícies que são frequentemente encontradas em habitats de lagartixas - pedras, árvores, apenas uma parte das fibras das patas está envolvida aqui (devido ao grande número de irregularidades nessas superfícies), mas isso é suficiente para manter o animal no lugar.Como se viu, os pelos microscópicos nas pernas da lagartixa aderem à superfície de suporte por meio das forças de van der Waals. Forças de Van der vaals- As forças da interação intermolecular (e interatômica) com uma energia de 10 a 20 kJ / mol. A base das forças de van der Waals são as forças de interação de Coulomb entre os elétrons e os núcleos de uma molécula e os núcleos e elétrons de outra. A uma certa distância entre as moléculas, as forças de atração e repulsão se equilibram e um sistema estável é formado. É precisamente esse sistema que a pata da lagartixa compõe com a superfície com a qual está em contato.A estrutura complexa da pata fornece mais uma propriedade - hidrofobicidade. A pata repele a água e a sujeira, para que a lagartixa possa se mover bem em superfícies molhadas.A lagartixa separa facilmente a pata da superfície em que está presa. Um mecanismo especial é usado para isso. O fato é que uma cerda presa a qualquer material pode se soltar facilmente se o ângulo entre a fibra e a superfície for superior a 30 °. Ao se mover, alterando o ângulo de contato das patas e a superfície, a lagartixa fixa e solta as patas com facilidade. Os custos de energia para este processo são mínimos.Forças de Vand der Waals ou algo mais?
Há dois anos, o cientista canadense Alexander Penlidis decidiu estudar independentemente o mecanismo de adesão das patas da lagartixa às superfícies. Como se viu, quando as patas e a superfície tocam, ocorre uma troca de cargas elétricas. Como resultado, uma carga eletrostática positiva é formada na pata e uma carga negativa na superfície.Penlidis experimentou dois tipos de superfícies poliméricas - Teflon AF e polidimetilsiloxano. De acordo com as conclusões do cientista de acordo com os resultados do estudo, a força de adesão se correlacionou com a magnitude da carga eletrostática da pata e da superfície. E daí resulta que é a carga elétrica que desempenha o papel principal na adesão da pata às superfícies.
O estudo é interessante, mas não responde à pergunta importante - como a lagartixa é mantida em superfícies muito irregulares, onde é muito mais difícil garantir a adesão usando uma carga elétrica do que em uma superfície plana. Talvez as pernas da lagartixa tenham um mecanismo de acoplamento duplo - forças de van der Waals e carga elétrica.Efeito da água
Na grande maioria dos casos, os cientistas realizaram experimentos com lagartixas em ambiente seco. Cientistas da Universidade de Akron decidiram verificar o quão bem o lagarto pode se mover em superfícies molhadas. Como se viu, se você borrifar água em um prato de vidro, o animal se agarra a uma superfície muito pior do que no mesmo prato, sem gotas de água.No entanto, a lagartixa consegue ficar na superfície molhada. Mas se o prato for imerso em uma profundidade rasa na água e a lagartixa for novamente colocada no prato, o lagarto não poderá permanecer na superfície sob tais condições. Se você mergulhar as pernas da lagartixa na água por uma hora e meia e depois colocá-la no copo, ela escorrega, incapaz de ganhar uma posição.Segundo Alyssa Stark, da Universidade de Akron, isso se deve ao fato de a água interferir nas forças da interação van der Waals, e as pernas da lagartixa não poderem ser fixadas na superfície.Não apenas patas
Todo o corpo da lagartixa está envolvido no mecanismo de fixação das patas na superfície, dizem cientistas da Universidade de Massachusetts em Amherst. O corpo do réptil, de acordo com Alfred Crosby (Alfred Crosby), desempenha o papel de uma mola, que pressiona as patas na superfície. E quanto maior o peso corporal da lagartixa, mais forte será nesta primavera . Graças a esse mecanismo, grandes lagartixas, e não apenas seus pequenos parentes, são perfeitamente mantidas em qualquer superfície.Apesar de Alexander Penlidis ter sido capaz de provar a influência da carga elétrica na capacidade adesiva das patas de lagartixa, a maioria dos especialistas ainda apóia o ponto de vista sobre o mecanismo de adesão baseado nas forças de van der Waals. Agora, os cientistas estão tentando explicar outro problema interessante - a origem desse mecanismo no processo de evolução.Gecko Scotch
Desde que o mecanismo das pernas da lagartixa se tornou geralmente compreendido, as pessoas têm tentado reproduzi-lo artificialmente. Em particular, Agência DARPA estabelecido para alpinistas permitindo que uma pessoa que pesa 122 kg (peso corporal + carga) para subir o vidro parede íngreme para uma altura de 7,6 m. Engenharia de Stanford criado robô que pode subir a íngreme alisar substancialmente superfícies. Os manipuladores de robôs também são modelados nas pernas de uma lagartixa. E especialistas da Universidade da Pensilvânia desenvolveramUm novo tipo de garra de alta precisão que pode ser usada na produção para trabalhar com peças pequenas. Também está em andamento o desenvolvimento de fita super adesiva, capaz de suportar muitos ciclos de uso e cuja superfície não está contaminada por uso prolongado. A NASA desenvolveu um suporte especial que pode ser usado na Terra e com gravidade zero no espaço. Ele permite que você prenda mercadorias em superfícies usando um "velcro" especial criado na imagem e semelhança da superfície do pé da lagartixa.Source: https://habr.com/ru/post/pt396299/
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