海狸皮毛作为潜水衣的样本
普通的海狸海狸和海獭（海獭）缺乏一层厚厚的脂肪，可以在海象和鲸鱼之间保留热量。然而，小型半水生啮齿动物设法保持温暖，甚至干燥，在水下潜水。科学家对海狸皮的结构非常感兴趣。可以人工构建相同的疏水材料。海狸皮毛的疏水性和身体的隔热性是由于在海狸皮毛中形成了暖空气袋这一事实而产生的。它们充当绝缘体。麻省理工学院的工程师采用了这样的结构作为模型，并用人造材料制成了类似毛皮的弹性皮肤。在他们的帮助下，他们研究了当气泡卡在头发中的各个头发之间并将材料浸入液体中时发生的物理过程。研究结果于2016年7月29日发表在《物理评论流体》杂志上（doi：10.1103 / PhysRevFluids.1.033905）。“我们特别感兴趣的潜水服游泳，其中运动员交替移动肢体在不同的环境-空气和水- 他说：Anette（Peko）Hosoi（Anette（Peko）Hosoi），机械工程学教授，麻省理工学院相关系主任。 -我们可以控制头发的长度，它们之间的距离和相对位置。这样一来，您可以设计出最适合特定游泳者速度的纹理，并具有最大的干纸巾区域。”在准备科学工作时，该教授得到了其部门的同事以及相关学科的专家（包括MIT应用数学讲师）的协助。这个例子表明，对于许多工程问题，人类可以找到自然界中有效解决方案的例子。在这种情况下，任务是找到用于游泳的潜水衣的生物等效物，以使织物从水中移出后尽快干燥，但同时又保持了温度调节特性，即为游泳者在水下提供了热量。该问题已提交给生物学家。他们建议在海狸等半水生动物中寻求解决方案。当工程师开始研究该主题时，他们发现这些动物实际上有两种类型的被毛：1）长的外保护层和2）短而致密的底毛。科学家建议第一层保护第二层免受水的侵害，但是到目前为止，关于这一过程如何发生还没有明确的科学理解和模型。该表列出了以前在半水生动物中研究不同类型羊毛的科学研究。为此，一群来自麻省理工学院的研究人员设计了人造弹性材料。在丙烯酸模具上，按照给定的模式在计算机程序的控制下烧孔，并严格遵守孔之间的距离。然后将聚二甲基硅氧烷的预成型品（一种类似软橡胶的材料）放入模具中。在压力和温度下，他的体形正确。该图显示了这种材料的特性，其中羊毛颗粒位于六边形结构中，并且羊毛之间的距离等于它们的直径。使用特殊的电动设备将材料以不同的速度浸入液体中。下图显示了将材料以5 mm / s的速度浸入液体中时的实验结果。气囊以黑色显示。将材料以不同的速度浸入水中，并在视频上记录实验。事实证明，当浸入两根头发之间的液体中时，特殊的毛细管会“塞”入空气。水只能渗透到一定深度。根据液体密度，浸没速度以及海狸毛的人造类似物中的毛发之间的距离，通过实验研究了毛发干燥区域与毛发总长度的比率。实验表明，随着浸入深度的增加和浸入速度的降低，底涂层中的空气层变薄。另外，空气层的厚度取决于发际线的厚度。从物理角度看，流体压力将气泡从头发“捕获器”中挤出，但是流体的粘度和密度抑制了它们的运动。事实证明，毛发相对于彼此的位置非常重要。科学家设法创建了一个数学模型，该模型根据材料的结构来描述材料的特性。因此，可以根据流体的密度和身体的速度来选择最佳的头发长度，头发的厚度以及它们之间的距离。了解了该公式后，我们现在可以清楚地观察羊毛样本，看它是否可以容纳空气-在哪种液体中以什么速度流动。科学工作的作者认为，他们的研究不仅可以应用于开发更有效的潜水服，而且还可以应用于材料科学的其他领域。例如，在计算防护涂层的最有效特性时。在施加这种涂层的过程中，将材料浸入液体中。现在，您可以计算液体下是否会有气泡。而且您需要以何种速度将材料浸入浴中以消除气泡。Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN398111/
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