ЗДОРОВЬЕ и ИНТЕЛЛЕКТ
ЗДОРОВЬЕ и ИНТЕЛЛЕКТ
Наука, общество, медицина, здоровье, долголетие, лекарства и бады = блогинг и новости
Read 4 minutes

Летающие пауки полагаются на электрические поля для создания подъёмной силы.

В 1832 году Чарльз Дарвин стал свидетелем того, как сотни летающих пауков приземлились на корабле его величества, Бигле, находящемся примерно в 60 милях от берега. Воздухоплавание пауков – явление, известное как минимум со времен Аристотеля и увековеченное в классической детской книге Э. Б. Уайта "Паутина Шарлотты", но учёные только недавно добились прогресса в лучшем понимании лежащей в его основе физики.

Image for post
Изображение из наблюдательного исследования воздухоплавания у крупных пауков, проведенного в 2018 году, на котором изображен паук-краб, который собирается взлететь. Изображение: Cho, M. et al., 2018/CC BY-SA 4.0

Согласно недавно опубликованной статье в журнале Physical Review E, физики разработали новую математическую модель, включающую все различные действующие силы, а также эффекты нескольких нитей. Авторы М. Халид Джавед (UCLA) и Чарбель Хабчи (Notre Dame University-Louaize) основали свою новую модель на алгоритме компьютерной графики, использованным для моделирования меха и волос в таких блокбастерах, как "Хоббит" и "Планета обезьян". Эта работа может однажды способствовать разработке новых типов датчиков для исследования атмосферы с помощью воздушных шаров-зондов.

Существуют конкурирующие гипотезы о том, как летающие пауки могут парить в воздухе. Например, в одном из предположений утверждается, что по мере того, как воздух нагревается с восходящим солнцем, шелковые нити, которые пауки испускают для раскручивания своих "парашютов", улавливают восходящие конвекционные потоки (восходящие потоки), вызванные тепловыми градиентами. Вторая гипотеза гласит, что нити имеют статический электрический заряд, взаимодействующий со слабым вертикальным электрическим полем в атмосфере.

Image for post
Летающий паук Erigone использует тонкие нити паучьего шёлка, чтобы улавливать токи электрического поля и потоки воздуха.

Летающий паук Erigone использует тонкие нити паучьего шёлка, чтобы улавливать токи электрического поля и потоки воздуха.

В ходе экспериментальных исследований были изучены обе гипотезы о летающих пауках. Например, одно исследование 2018 года, опубликованное в журнале Current Biology, продемонстрировало, что пауки способны обнаруживать электрические поля в естественных атмосферных условиях. Исследование предполагает, что это провоцирует паука на поведение, приводящее к воздухоплаванию, а электрические поля обеспечивают достаточную силу, чтобы поднять их в воздух.

Во втором исследовании 2018 года в PLOS Biology сообщалось об экспериментах с пауками-крабами. Соавтор Мунсунг Чо, инженер-аэродинамик из Берлинского технического университета, был вдохновлен тем, что заметил нескольких пауков-воздухоплавателей, во время прогулки по городскому парку Лилиенталь. Он и его коллеги построили открытую платформу и одного за другим поместили на неё дюжину пойманных пауков-крабов, снимая на видео их "воздухоплавательное" поведение. Платформы испускали мелкий порошок, чтобы можно было видеть скорость и направление ветра. Они также провели аналогичные эксперименты в аэродинамической трубе с катушкой, помещённой за пауками на платформе, чтобы наматывать распыленные пауками шёлковые нити, как если бы они были рыболовной леской.

Watch Tiny Crab Spider Fly Using Silk Parachutes
Watch Tiny Crab Spider Fly Using Silk Parachutes01:06
Поведение паука-краба Xysticus spp. перед полётом, запечатлённое на пленку для исследования PLOS Biology 2018 года.

Чо и др. обнаружили, что пауки, казалось, проверяли условия перед взлётом, поднимая в воздух одну или две передние ноги. Если ветер был достаточно слабым (около 3 метров в секунду), пауки тогда поворачивались, вставали на "цыпочки" и поднимали зад к небу. Затем они выпускали несколько шелковых нитей, которые образовывали трёхчастный парашют. Во время этого процесса пауки прикреплялись к земле с помощью паутины и откреплялись только после того, как парашют начинал их уносить.

Чо и его коллеги также определили, что в среднем, нить паучьего шёлка имеет длину 2,74 метра и всего 200 нанометров в поперечнике (меньше длины волны видимого света). При таких масштабах, сказал Чо The Washington Post, "воздух густой, словно мёд". Он пришёл к выводу, что сочетание густого воздуха и узких нитей даёт паукам достаточную подъёмную силу, чтобы парить в воздухе.

Также были проведены исследования моделирования с участием одной нити. Однако никто ещё не смоделировал влияние нескольких нитей на воздухоплавание, принимая во внимание влияние силы электростатического отталкивания на форму нитей, а также скорость воздухоплавания Джавед и Хабчи решили исправить этот пробел в научных публикациях.

Они использовали алгоритм, который делит каждую шелковую нить на несколько сегментов, напоминающих нити спагетти, каждая из которых может сгибаться, растягиваться и скручиваться. В манере характерной для настоящих физиков они смоделировали эригонского паука в виде сферы диаметром 2 миллиметра. Различные варианты симуляции имели две, четыре или восемь нитей, прикрепленных к вершине сферы-паука, и модель предполагала, что нити были покрыты электрическими зарядами.

Image for post
Процесс воздухоплавания, описанный в новом трёхмерном цифровом моделировании паука с использованием (а) двух нитей, (б) четырёх нитей и (с) восьми нитей.

Джавед и Хабчи также включили в свою модель несколько других факторов: гравитацию, атмосферное электрическое поле, электрический заряд нитей и сопротивление (сопротивление воздуха) нитей паутины.

Согласно APS Physics:

В симуляциях паук начинает движение из состояния покоя на земле и поднимается под действием электрического поля. В то время как заряженные, изначально прямые нити остаются прикрепленными к пауку, их взаимное отталкивание заставляет их расходиться в течение определённого периода времени. По мере того, как паук ускоряется вверх, сопротивление вниз увеличивается и – в сочетании с весом паука – в конечном итоге нейтрализует подъёмную силу. Это соревнование между восходящей и нисходящей силами определяет конечную (предельную) скорость паука вверх.

Моделирование показало, что несколько нитей не запутываются, находясь в зараженном состоянии. "Мы думаем, что, по крайней мере, для маленьких пауков электрическое поле без какой-либо помощи восходящих воздушных потоков может привести к воздухоплаванию," – сказал Хабчи, добавив, что более крупным паукам потребуется усиление восходящего воздушного потока. Вертикальные скорости (8,5 см/с) согласуются с недавними экспериментальными исследованиями, а электрические заряды, равномерно распределённые по всей нити или только на её конце, в равной степени способны создавать подъёмную силу.

DOI: Physical Review E, 2022. 0.1103/PhysRevE.105.034401.

источник https://arstechnica.com/science/2022/04/no-air-currents-required-ballooning-spiders-rely-on-electric-fields-to-generate-lift/
редактура и адаптация Дмитрий Бобров

1 view
Add
More
ЗДОРОВЬЕ и ИНТЕЛЛЕКТ
Наука, общество, медицина, здоровье, долголетие, лекарства и бады = блогинг и новости
Follow