Механика прокола и укуса

Александр Гурьянов

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)

Разные разности
Женщина изобретающая
Пишут, что за последние 200 лет только 1,5% изобретений сделали женщины. Не удивительно. До конца XIX века во многих странах женщины вообще не имели права подавать заявки на патенты, поэтому частенько оформляли их на мужей. Сегодня сит...
Мужчина читающий
Откуда в голове изобретателя, ученого вдруг возникает идея, порой безумная — какое-нибудь невероятное устройство или процесс, которым нет аналогов в природе? Именно книги формируют воображение юных читателей, подбрасывают идеи, из которых выраст...
Пишут, что...
…археологи обнаружили на стоянке мамонтов Ла-Прель в округе Конверс бусину, сделанную из кости зайца, возраст которой составляет около 12 940 лет… …астрофизики впервые обнаружили молекулы воды на поверхности астероидов Ирис и Массалия… ...
Слезы как оружие
Женщины прекрасно знают, что стоит пустить в ход слезы, как еще секунду назад грозный, орущий и злобный мужчина вдруг обмякает, теряется и становится похожим на кроткую овечку. Откуда такая обезоруживающая сила женских слез? В чем здесь дело?