Иллюстрация от Science Magazine / Youtube. Физики разработали математическую модель, которая объясняет, как пауки взлетают в воздух с помощью электрического заряда на нитях своей паутины. Модель не только смогла воспроизвести результаты экспериментов по воздухоплаванию пауков, но и выявила, что избыточный заряд увеличивает парусность паутины. Это может как ускорить, так и замедлить взлет в зависимости от конкретных условий окружающей среды. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E, краткое изложение которых можно найти на страницах Physics World. Способность к полету не ограничивается наличием крыльев. Некоторые арахниды, в частности пауки, способны использовать паутину для создания «парусов» – конических пучков нитей, которые позволяют им взлетать. Такой метод передвижения был впервые описан еще в XVII веке и, как полагают, служит средством освоения новыми территориями.
Долгое время считалось, что отрыв пауков от земли обусловлен естественными конвекционными потоками воздуха, возникающими из-за температурных различий над земной поверхностью.
Попытка моделирования этого процесса, однако, выявила, что нити паутины подвержены сильному скручиванию и сгибанию под действием турбулентных потоков. Оказалось, что предыдущие исследование не учитывают наличие на нитях электрического заряда, который препятствует деформации и определяет характерную коническую форму «паруса».
Но совсем недавно ученые стали подозревать, что роль этих зарядов в воздухоплавании пауков гораздо больше. Дело в том, что между землей и облаками постоянно существует небольшая разность потенциалов. Расчеты и эксперимент, в рамках которого ученые исключили любые турбулентные потоки, подтвердили гипотезу о том, что атмосферного электричества достаточно, чтобы паук с массой порядка миллиграмма мог за счет него взлететь. Для этого суммарный заряд нитей должен составлять порядка нанокулона. Сейчас физики пытаются с помощью моделирования понять детали этого физического процесса.
Такую задачу поставили перед собой Шарбель Хабчи (Charbel Habchi) из Университета Нотр-Дам-Луэз, Ливан, и Мохаммад Джавед (Mohammad Jawed) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Они разработали численную модель, учитывающую вязкость, вес и размеры нити и паука, электростатические подъемную силу и силы отталкивания, а также силу упругого изгиба, которая влияет на разворачивание «паруса». В будущем это может пригодиться в разработке новых типов аэростатов для изучения свойств атмосферы.
До сих пор неизвестно, каким именно способом пауки заряжают свои нити. Предполагается, что это происходит либо в процессе прядения, либо после него из-за трения паутины о воздух. Неясно также как именно распределен заряд по нити. Авторы провели моделирование для случаев, когда заряд распределен равномерно и когда он сконцентрирован на конце нити.
Механическая модель паука опиралась на характеристики представителей рода Erigone, с которыми был ранее проведен эксперимент. Физики описали паука в виде сферы массой один миллиграмм и радиусом один миллиметр, заряженной зарядом три пикокулона. В начальный момент времени из сферы выходило вертикально вверх несколько нитей длиной 100 микрометров, плотностью 1200 килограмм на кубический метр и радиусом 300 нанометров. Исследователи варьировали число нитей от 1 до 8. В реальности их число может достигать сотни, однако, как показало моделирование, увеличение числа нитей слабо влияет на динамику взлета.
На первом этапе физики постарались максимально точно воспроизвести эксперимент. Они учли сопротивление воздуха, из-за которого скорость паука после взлета стабилизируется. Моделирование с помощью одной нити показало хорошее согласие с экспериментальными данными.
Зависимость вертикальной координаты и вертикальной скорости паука от времени. Красные и черные точки – разные запуски в эксперименте Морли и Горхэма, синяя линия – моделирование, сделанное авторами в текущей работе. Charbel Habchi et al. / Physical Review E
Затем авторы попытались понять, как будет происходить взлет для нескольких нитей в паутине. Оказалось, что увеличение заряда нитей уменьшает скорость, с которой паук поднимается вверх. Такой контринтуитивный результат обязан своим происхождением раскрытию нитевого «паруса». Чем больше заряд на нитях, тем сильнее они отталкиваются и тем под большим углом раскрывается конус «паруса», что, в свою очередь, оказывает тормозящее действие и уменьшает скорость. С другой стороны, этот факт может, наоборот, способствовать подъему, если вокруг паука присутствуют восходящие потоки воздуха. Вероятно, именно такой механизм ответственен за полеты более тяжелый пауков массой 100 миллиграм, например Stegodyphus dumicola. Модель электростатического воздухоплавания предсказывает для них не менее 100 нанокулон на нить и очень широкое раскрытие «паруса», чего не наблюдается в реальности.
В изначальном варианте новости было сказано, что физики описали паука в виде сферы массой один грамм, хотя на самом деле его масса составляла один миллиграмм.
Ранее мы рассказывали, как физик из США построил математическую модель, которая помогает вычислить динамические свойства сразу нескольких типов перемещения животных.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
