Механика прокола и укуса

Зубы, жала, иглы и колючки нужны животным и растениям для охоты, питания и защиты от врагов. Эти биомеханические системы могут быть самых разных размеров и форм, но их, конечно, объединяют физические принципы, диктующие способы применения. Механика прокола еще далека от полного понимания, но ученые продолжают «копать».

До сих пор исследователи отдавали предпочтение частным случаям, например отдельным видам животных и растений. Но время обобщений, видимо, пришло. В новой работе профессор Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн Бинг Ян Чжан (Bingyang Zhang) и Филипп Андерсон (Philip S. L. Anderson) предложили базовые принципы, лежащие в основе прокола биологических тканей.

Очевидно, что успешный прокол должен зависеть от формы острия, свойств материала и динамики процесса. Ученые представили модель, основанную на энергетическом описании явления. В ней учтен баланс трех энергий: разрыва в биоматериале, упругой деформации и трения при проколе.

Исследователи последовательно и систематически описали кинематику и механику разрушения биоматериалов. Модель авторов позволила вывести безразмерные соотношения между энергией, затраченной на прокол, геометрией острия, а также свойствами прокалываемого материала. Эти безразмерные константы дают возможность с единых позиций описывать явления разных масштабов.

В качестве меры эффективности прокола ученые предлагают использовать отношение энергии, выделившейся при создании прокола, к энергии деформации материала. Авторы проверили свои теоретические предсказания конечно-разностным расчетом на компьютере и простыми экспериментами.

Универсальность — это значительное преимущество модели. Она дает возможность сравнивать разнообразные живые системы и, по мнению ее создателей, позволяет выяснить, как фундаментальные физические принципы влияют на эволюцию, в частности объясняет подобие форм острия у разных видов растений и животных. Кроме прочего, модель описывает проколы живых систем и мягких эластичных полимеров искусственными инструментами. (Journal of the Royal Society Interface 19, 195, 2022)