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
Желтки против пожелтения
Пробы красочного слоя, взятые с картин художников эпохи Возрождения, показали, что в них помимо пигментов и масла присутствуют еще и небольшие следы белка, который мог попасть в краску вместе с желтком. Действительно точно известно, что Леонардо да&n...
Споры против полиуретана
Ученые создали биоразлагаемый материал с помощью почвенных штаммов бактерии Bacillus subtilis, способных разрушать термополиуретан. Решение очень простое — подмешать бактерии к полимерам. Причем не сами бактерии, а их споры, которые остаютс...
Бактериофаги против дезодорантов
Метагеномный анализ кожной флоры позволил найти главного злоумышленника, виновного в резком запахе пота — это бактерии Staphylococcus hominis. Но можно ли от них избавиться, не убивая другие кожные бактерии? Исследователи предложили логичное реш...
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...