Светът на физиката Защо деликатните крила на насекомите не се чупят
Dörte Saße 29.08.2012
Дъблин (Ирландия) - Фината решетка, която минава през крехките крила на водни кончета, мухи или дори скакалци, има двойна употреба: не само прави конструкциите леки и същевременно стабилни, но и предотвратява сериозно счупване на крилото, защото създава най-фините пукнатини спира в ранните етапи. Кожната мембрана между решетката, която образува действителното крило, е по-тънка от очакваното, съобщава изследователски екип в списание „PLoS ONE“, след като е подложил крилата на скакалци на механични стрес тестове. Но за разлика от костите, мембраната не може да расте отново заедно, ако се разкъса. Те обаче са типични за живота на насекомите поради борба, износване или умора на материала. Вместо това, очевидно оптимално разклонената мрежа забавя разпространението на щетите, според изследователите.
Мембранни клетки на крило на скакалец
„Пустинните скакалци са летците на маратона в света на насекомите - обяснява Ян-Хенинг Диркс от инженерния отдел в Тринити Колидж в Дъблин, - Те могат да летят над пустини и океани в продължение на дни с крила, десет пъти по-тънки от човешки косъм. Преди малко беше показал на колегата си Дейвид Тейлър, че кожата на краката на скакалец е един от най-твърдите естествени материали в света. Състои се главно от аморфни, плътно свързани в мрежа протеини и почти никога не се уврежда при хмела.
Тъй като крилата на пустинната скакалца (Schistocerca gregaria) също се състоят от тази - само по-тънка - кожа, изследователите изрязват малки прорези в тази мембрана, която е с дебелина само 1,7 до 3,7 микрометра. След това измериха силата, която щеше да е необходима, за да прокара такъв разлом през цялото крило. Но само мембранната кожа се оказа не много разрушителна. Видеоклиповете от експеримента обаче показаха, че повечето пукнатини бяха ефективно спрени веднага щом ударят един от фините хребети, съставляващи стабилизиращата решетка. Повечето надлъжни издутини по дължината на главното крило са с дебелина до 150 микрометра, кухи отвътре и отчасти съдържат нервни връзки и течност. Кръстосаните скоби са по-неправилни и сухи. Заедно те образуват стабилна, еластична мрежа с почти хиляда по-малки и по-големи "мембранни клетки" - и значително увеличават жилавостта на крилото.
Отблизо издутини в крилото
„В сравнение с тънкокрилната мембрана, междинните издутини са относително тежки. Съответно искате колкото се може по-малко издутини, за да поддържате теглото на крилата ниско “, казва Диркс. Твърде малко от тях обаче биха предложили по-малко защита срещу пукнатини, както показва видеото, че оптималният компромис е важен. За да подкрепят това, изследователите тестваха механичната якост на цели крила, както и на малките кожи на отделни мембранни клетки. Резултатът: размерът на повечето от тези клетки е бил на или под така наречената критична дължина на пукнатината на кожата на мембраната от 1132 микрометра. Критичната дължина на пукнатината е константа на материала; ако пукнатината остане по-къса, материалът все още е стабилен дори при натоварване - ако е по-дълъг, това води до допълнителни неконтролирани пукнатини и по този начин най-вече до разрушаване.
Пълните фрактури са много редки при крилата на скакалец, обобщава Тейлър: „Благодарение на точното разстояние на напречните перли, пукнатините винаги се спират, преди да достигнат тази критична дължина и продължават да растат. Природата е намерила механично „оптимално“ решение за крилата на скакалеца. “Вашият резултат също трябва да направи леките крила за микросамолети по-стабилни. Анализът, приложен назад, може дори да помогне да се опише летателната способност на насекомите, които сега са изчезнали.
Научен ток според условията на източника