Corra, Lagartixa, corra: um mecanismo de movimento híbrido de água da lagartixa

Por que não fazemos uma pausa da física quântica, ciência dos materiais e química neste belo dia de sexta-feira? O que você diz Afinal, o mundo da pesquisa científica, pesquisa e descoberta não se limita a uma direção. Física, química, biologia, astronomia, etc. - Todos os dias aprendemos algo novo nessas áreas, e seria errado limitar nossa atenção a você apenas, digamos, pela física. Portanto, hoje haverá um pouco de biologia. Estudando várias publicações científicas, tanto no assunto quanto na direção, me deparei com uma descoberta curiosa. E como o personagem principal dessa descoberta é uma criatura que eu sempre gostei, não pude passar. Assim, diz a descoberta - lagartixas comuns são capazes de correr na água. Não é muito impressionante? Não tire conclusões precipitadas, porque esses pequenos lagartos ágeis usam várias técnicas de uma só vez para realizar esses movimentos, ao contrário de outros animais. Se você ainda se pergunta como eles fazem isso, não nos atrasaremos. Vamos lá

Protagonista

As lagartixas não são uma espécie de criatura, mas uma família inteira de mais de 1.100 espécies, cada uma com características próprias, de tamanho e cor a habitat e dieta. O aparecimento de lagartixas pode ser muito incomum, mas isso se deve ao habitat e aos hábitos das espécies.


Lagartixa-de-cauda-folha

Por exemplo, este bebê, lagartixa-de-cauda-folha, pode se esconder facilmente entre a folhagem seca. É verdade que sua aparência levou os descobridores a dar-lhe um nome não tão fofo - lagartixa satânica com cauda de folhas (lagartixa satânica com cauda de folha). Na minha cabeça, pela aparência dele, há apenas uma palavra - Drakaris. :)

Todos esses irmãos malhados (ou, mais corretamente, escamosos) têm características comuns, pelo menos em muitas das espécies. O mais notável é sua capacidade de retratar o Homem-Aranha, ou melhor, de se agarrar a quase qualquer superfície e se mover não apenas verticalmente ao longo das paredes, mas também no teto. O mais interessante é o princípio pelo qual eles são capazes de fazer isso - muitos cabelos microscópicos cobrem os membros da lagartixa. Estes cabelos aderem à superfície devido à força de Van der Waals. Pelo mesmo princípio, o herói de quadrinhos mencionado acima se apega às superfícies.


À esquerda, há uma moldura do filme Homem-Aranha (2002), e à direita, uma foto macro do travesseiro no pé da lagartixa.

Além disso, não se deve esquecer os olhos incríveis de lagartixas. As espécies, principalmente ativas à noite, aumentam a fotossensibilidade. Em outras palavras, seus olhos são capazes de captar até uma pequena quantidade de luz, o que lhes permite reconhecer cores no escuro. As lagartixas da super visão têm sido repetidamente estudadas. Por exemplo, neste estudo, os cientistas descrevem as diferentes propriedades oculares de duas espécies de lagartixas: Phelsuma madagascariensis grandis diurna (lagartixa diurna gigante de Madagascar) e Tarentola chazaliae noturna (lagartixa com cabeça de capacete).


Aparência do olho de Gekko smithii (grande lagartixa lisonjeira ou lagartixa de Smith).

Mas hoje nos reunimos para não estudar as incríveis habilidades visuais das lagartixas, mas suas habilidades acrobáticas igualmente incríveis. Portanto, prosseguimos diretamente para o próprio estudo.

A essência do estudo

Em uma floresta tropical em Cingapura, foi feito um vídeo em alta velocidade de como uma pequena lagartixa supera um obstáculo de água para chegar a uma árvore.



Além disso, a velocidade de seu movimento era quase a mesma de quando se deslocava em uma superfície sólida. Este vídeo fez a pergunta aos cientistas - como as lagartixas fazem isso? Estudos de laboratório foram realizados, mostrando que as lagartixas usam várias técnicas ao mesmo tempo para se mover na superfície da água, o que as torna bastante únicas no reino animal.


Strider água

Os pesquisadores observam que a evolução deu diferentes animais que podem se mover na água de maneiras diferentes para conseguir isso. Assim, alguns insetos pequenos têm uma estrutura não padronizada dos membros, o que lhes permite permanecer na água devido à força de tensão superficial. No entanto, esse método não é universal, porque outros animais maiores evoluíram de maneira diferente. Por exemplo, um basilisco com capacete pode literalmente atravessar a água. Os movimentos rápidos das patas traseiras permitem acelerar até 12 km / he rodar cerca de 400 metros dessa maneira.


Demonstração de corrida na água realizada pelo basilisco portador de capacete, que não é em vão chamado lagarto de Jesus Cristo.

Os cientistas compartilham dois métodos principais de mover animais na água: movimento devido à tensão superficial e movimento devido a certos movimentos dos membros.

As criaturas pequenas têm um número de Bond * <1, portanto, para garantir a retenção na superfície da água, o número de Weber * também deve ser <1.

Número de Bond (Bo) * é a razão da gravidade para a tensão superficial.

Número Weber (We) * - razão de inércia do fluido para tensão superficial.

Um gráfico da relação entre o número de Bond e o número de Weber, bem como a localização de diferentes organismos vivos na balança.

Em animais grandes, o número de Bond e o número de Weber são naturalmente grandes e, portanto, não podem usar o primeiro método de movimento na superfície da água. Portanto, eles devem agir de maneira inversa, ou seja, usar força na superfície da água (bofetadas, pancadas, membros oscilantes, etc.).

As lagartixas são únicas por terem números de Bond e Weber (Bo = 8,7 ± 0,5, We = 47,4 ± 31,7) localizadas em algum lugar entre as duas principais categorias, de acordo com o método de movimento, marcado em verde e azul no gráfico acima. Assim, os cientistas criaram a teoria de que as lagartixas podem usar tanto a força da tensão superficial quanto o movimento dos membros ao mesmo tempo para se mover pela água. E qualquer teoria requer prova (a menos que seja um axioma, é claro).

Cinemática "Gecko"

O teste envolveu 8 indivíduos. Um total de “corridas aquáticas” foi realizado 63.

Os cientistas observaram que, ao contrário do basilisco com capacete, o corpo da lagartixa não está completamente acima da água. No entanto, a lagartixa faz movimentos com os membros de tal forma que as cavidades de ar se formam entre eles e a superfície da água, assim como o basilisco. A posição do corpo é a seguinte: a metade da frente acima da água (altura média da cabeça acima da água 13,4 ± 2,2 mm), a metade traseira está em contato com a água, a cauda imersa na água e sempre paralela à superfície.


Representação esquemática da posição do corpo da lagartixa enquanto se move sobre a superfície da água.

A locomoção da lagartixa sobre a água é muito semelhante à que ela demonstra quando corre em terra, quando o membro dianteiro se move em fase com a traseira oposta (frente esquerda + traseira direita, etc.). Essa observação também é incomum, porque durante a natação de répteis os répteis não são peneirados pelos membros.

Apesar da imersão parcial do corpo sob a água, a lagartixa pode se mover através da água a uma velocidade de 60,7 ± 5,4 cm / s, o que é aproximadamente igual a 10,5 comprimentos corporais da lagartixa por segundo. Este indicador praticamente não muda quando se desloca em terra. E a velocidade máxima da água registrada durante os testes foi de 97,5 cm / s (3,51 km / h).


Movimento de lagartixa na água (vista lateral).

Quando essas velocidades são atingidas, as lagartixas são capazes de elevar cerca de 72% do seu corpo acima da superfície da água, o que ajuda a reduzir a resistência das ondas.

Os cientistas também observam que esse movimento de lagartixas na água não pode ser descrito como natação, o que é confirmado por observações.

Quanto aos movimentos dos membros, existe na verdade uma semelhança entre o basilisco e a lagartixa, embora seus corpos estejam localizados de maneiras diferentes. Ambos os "corredores de água" batem com as patas na água, criando um impulso que permite que você continue se movendo (acima da imagem B). O elemento mais importante desse movimento são as cavidades do ar, que devem se formar no momento do impacto na superfície da água.

A diferença mais óbvia, como mencionado anteriormente, entre a lagartixa e o basilisco é a posição do corpo. Ao correr pela água, os basiliscos se endireitam verticalmente, usando apenas os membros posteriores para criar impulsos, e seu corpo, respectivamente, está completamente acima da água. Lagartixas não podem fazer isso por causa de membros curtos e incapacidade de mudar a posição do corpo de horizontal para vertical.

O que fazer neste caso? Use todos os 4 membros, é claro. O que a lagartixa faz, a velocidade da água atinge cada um deles 76,2 ± 33,1 cm / s para as patas dianteiras e 91,5 ± 29,4 cm / s para as patas traseiras. Como podemos ver, a velocidade dos membros posteriores é muito maior que a da frente, devido à posição quase horizontal do corpo da lagartixa.

Também vale a pena notar a diferença nas cavidades do ar entre lagartixas e basiliscos durante os ataques com água. Nas lagartixas, as cavidades são mais oblongas e se expandem caudalmente (isto é, em direção à cauda). Isso leva os cientistas a supor que essa forma ajuda mais na criação de algum tipo de tração do que no levantamento do corpo acima da água (como um basilisco).

Assim, fica claro que as lagartixas não podem confiar totalmente nos movimentos de impacto dos membros, como os basiliscos, para superar o caminho ao longo da superfície da água. Portanto, esse mecanismo de movimento é usado por eles em conjunto com outros, e mais precisamente com a tensão superficial.

Tensão superficial

Os caminhantes de água podem não apenas “ficar de pé” na água, mas também correr silenciosamente nela devido à tensão superficial. Alguns pequenos lagartos também podem permanecer na superfície da água devido a esse fenômeno, mas apenas em estado estacionário. Os pesquisadores colocaram a lagartixa na água durante o teste. Seu corpo permaneceu na superfície, embora a maioria estivesse imersa (não se preocupe, a lagartixa foi colocada na água por um curto período de tempo e depois foi retirada imediatamente). Portanto, é óbvio que a tensão superficial da água não é uma fonte 100% da capacidade da lagartixa de correr na água.

No entanto, não descarte completamente esse fenômeno. Para começar, os pesquisadores observam que a pele das lagartixas é extremamente hidrofóbica (repele a água), e essa propriedade pode reduzir o arrasto (bem, a física não estava sem ela) devido a mecanismos baseados em um alto grau de tensão superficial no nível de contato desse tipo de pele com agua

Para testar essa teoria, uma série de testes foi realizada em água e em uma solução de sabão (ou seja, em água com surfactantes que reduzem a tensão superficial em aproximadamente 50%).


Movimento de lagartixa em água com sabão (vista lateral).

Um basilisco em uma solução de sabão mostrou os mesmos resultados que em água pura. Isso era previsível, uma vez que esse animal não usa tensão superficial no arsenal de mecanismos para correr sobre a água. Mas as lagartixas eram muito mais difíceis. Sua velocidade diminuiu em cerca de 58%


O efeito da tensão superficial na locomoção da lagartixa.

Nesse caso, a velocidade dos impactos de impulso não mudou. O período do balanço ficou um pouco mais longo. E o corpo da lagartixa estava mais imerso em água com sabão do que em água. A altura da cabeça acima da solução de sabão foi menor em 49%, em comparação com a altura acima da água limpa.

Hidrodinâmica e hidrostática

Sabe-se que animais nos quais o número de Froude (Fr, o critério para a similaridade do movimento de líquidos e gases) é 1,0, podem se mover através da água devido à aquaplanagem, gerando uma elevação hidrodinâmica pelos movimentos do corpo com um ângulo de inclinação positivo de um lado para o outro. Quando o valor Fr flutua na faixa de 0,6 ... 1,0, os animais permanecem na água devido à hidrodinâmica e à hidrostática (neste caso, flutuabilidade).

Os cientistas notaram uma correlação positiva entre a altura da cabeça subindo acima da água e a velocidade da lagartixa. Além disso, o próprio corpo, ou melhor, sua forma, se encaixa perfeitamente nessa teoria. Lagartixas comuns têm um impressionante ângulo de inclinação (flexão) do corpo - 26,4 ± 9,4. Além disso, seu corpo é achatado dorsoventralmente e a relação comprimento / largura é de 3,7 ± 0,4. A superfície abdominal é plana. Essa fisiologia não pode deixar de ajudar em um assunto tão complexo como a resistência à água.

No entanto, os pesquisadores ainda não estudaram esses aspectos até o fim, portanto, não desejam fazer declarações de alto perfil.


Movimento de lagartixa na água (vista superior).

Movimento de lagartixa em água com sabão (vista superior).

E, é claro, as lagartixas usam sua flexibilidade enquanto se movem, como pode ser visto na animação e no vídeo acima. Na água pura e na água e sabão, as lagartixas mantêm a mesma amplitude e ondulação dos movimentos.

Para um conhecimento mais detalhado do estudo, você pode consultar o link (relatório do grupo de pesquisa + materiais adicionais).

Epílogo

Este estudo pode parecer estranho, para dizer o mínimo. Os cientistas se reuniram no laboratório e começaram a lançar lagartixas na água (um sonho, não um emprego). No entanto, esses estudos ajudam a entender o que antes passava despercebido ou inexplicável.

Lagartixas não foram anteriormente classificadas como criaturas capazes de correr na água. Este estudo provou que eles têm um lugar legítimo nesta lista. Além dessa justiça zoológica, os pesquisadores também observam a importância de suas observações na robótica. Uma compreensão completa de como os animais se movem pela água pode ajudar a criar robôs que podem repetir esse truque. E dado que as lagartixas usam tudo de uma só vez em seu arsenal, ao contrário de outros dançarinos da água, sua importância nesse processo é imensuravelmente maior.

Além disso, não surpreende que um lagarto pequeno, mas ágil, possa surpreender o mundo científico com suas habilidades incomuns e, à primeira vista, inexplicáveis. Na minha opinião, isso prova mais uma vez o quão pouco sabemos sobre o mundo e as criaturas que nos cercam.



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