Pele de castor como uma amostra de uma roupa de mergulho

Castores comuns Os castores e lontras marinhas (lontras marinhas) carecem de uma espessa camada de gordura que retém o calor entre morsas e baleias. No entanto, pequenos roedores semi-aquáticos conseguem permanecer quentes e até secos, mergulhando debaixo d'água. Os cientistas estão muito interessados ​​na estrutura da pele de pêlo de castor. Pode ser possível construir artificialmente o mesmo material hidrofóbico.

As características hidrofóbicas do pêlo de castor e o isolamento térmico do corpo ocorrem devido ao fato de bolsas de ar quente serem formadas no pêlo de castor. Eles trabalham como isolante.

Os engenheiros do Instituto de Tecnologia de Massachusetts adotaram uma estrutura como modelo - e fabricaram peles elásticas semelhantes a pêlos a partir de material artificial . Com a ajuda deles, eles estudaram quais processos físicos ocorrem quando as bolhas de ar ficam presas entre os cabelos individuais e o material é imerso em um líquido.

Os resultados do estudo foram publicados em 29 de julho de 2016 na revista Physical Review Fluids (doi: 10.1103 / PhysRevFluids.1.033905).

"Estamos particularmente interessados ​​em roupas de mergulho para natação, onde os atletas movem os membros alternadamente em diferentes ambientes - ar e água", disseAnette (Peko) Hosoi (Anette (Peko) Hosoi), professora de engenharia mecânica e reitora do departamento relevante do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. - Podemos controlar o comprimento dos cabelos, a distância entre eles e a posição relativa. Isso permite que você crie texturas ideais para a velocidade de um nadador em particular, com uma área máxima de tecido seco ". Na preparação do trabalho científico, a professora foi assistida por colegas de seu departamento, bem como especialistas de disciplinas relacionadas, incluindo o instrutor do MIT em matemática aplicada.

Este exemplo mostra que, para muitos problemas de engenharia, a humanidade pode encontrar exemplos de soluções eficazes na natureza. Nesse caso, a tarefa foi definida para encontrar o equivalente biológico de roupas de mergulho para natação, para que o tecido seque o mais rápido possível após ser removido da água, mas ao mesmo tempo mantenha propriedades termostáticas, ou seja, forneça ao nadador calor debaixo d'água.

A pergunta foi dirigida aos biólogos. E eles aconselharam a procurar uma solução em animais semi-aquáticos, como o castor.

Quando os engenheiros começaram a estudar o tópico, descobriram que os animais realmente têm dois tipos de pelagem: 1) uma capa protetora externa longa e 2) um subpêlo curto e denso. Os cientistas sugerem que a primeira camada protege a segunda da água, mas até agora não houve um entendimento científico claro e um modelo de como esse processo ocorre. A tabela lista estudos científicos anteriores sobre o estudo de diferentes tipos de lã em animais semi-aquáticos.

Para esse fim, um grupo de pesquisadores do MIT projetou material elástico artificial. Nos moldes de acrílico, os furos eram queimados sob o controle de um programa de computador de acordo com um determinado padrão, com a observação exata da distância entre os furos. Uma pré-forma de polidimetilsiloxano, um material macio semelhante a borracha, foi então colocada no molde. Ele assumiu a forma correta sob pressão e temperatura.

A ilustração mostra as características deste material, onde as partículas de lã estão localizadas em uma estrutura hexagonal e a distância entre as lãs é igual ao seu diâmetro. O material foi imerso em líquidos em diferentes velocidades, utilizando instalações motorizadas especiais. O diagrama abaixo mostra os resultados de um experimento quando um material é imerso em um líquido a uma velocidade de 5 mm / s. Os bolsos de ar são mostrados em preto.

O material foi imerso em água a diferentes velocidades e as experiências foram gravadas em vídeo.



Como se viu, quando imerso em um líquido entre os cabelos individuais, capilares peculiares “se conectam” com a forma do ar. A água pode penetrar apenas até uma certa profundidade.

A razão entre a região seca dos cabelos e o comprimento total dos cabelos foi estudada experimentalmente, dependendo da densidade do líquido, da taxa de imersão e da distância entre os cabelos em um análogo artificial de cabelos castores.

O experimento mostrou que a camada de ar no subpêlo se torna mais fina com um aumento na profundidade de imersão e uma diminuição na velocidade de imersão. Além disso, a espessura da camada de ar depende da espessura da linha do cabelo. Do ponto de vista físico, a pressão do fluido empurra as bolhas de ar para fora da “armadilha” do cabelo, mas a viscosidade e a densidade do fluido inibe seu movimento.

Acabou sendo muito importante a localização dos cabelos em relação um ao outro. Os cientistas conseguiram criar um modelo matemático que descreve as propriedades de um material, dependendo de sua estrutura. Assim, é possível escolher o comprimento ideal dos cabelos, a espessura dos cabelos e a distância entre eles, dependendo da densidade do fluido e da velocidade do corpo.

Conhecendo a fórmula, agora podemos dizer claramente, olhando para a amostra de lã, se ela retém o ar ou não - em que líquido e em que velocidade.

Os autores do trabalho científico acreditam que seu estudo pode ser aplicado não apenas no desenvolvimento de roupas de mergulho mais eficazes, mas também em outras áreas da ciência dos materiais. Por exemplo, no cálculo das características mais eficazes de revestimentos de proteção. No processo de aplicação de tais revestimentos, o material é imerso em um líquido. Agora você pode calcular se haverá bolhas de ar sob o líquido. E a que velocidade você precisa mergulhar o material no banho para se livrar das bolhas de ar.

Source: https://habr.com/ru/post/pt398111/