Эластичное движение заставляет щелкунов щёлкать, выяснили учёные

Щелкуны способны подбрасывать себя в воздух более чем на 20 длин своего тела, не используя при этом ноги. Хотя само движение прыжка изучено подробно, физические механизмы, лежащие в основе их характерного щелчка, оставались неясны. Новое исследование раскрывает силы, стоящие за этим сверхбыстрым высвобождением энергии, и предлагает подходы для изучения экстремальных движений, накопления и высвобождения энергии у других мелких животных, таких как муравьи-трапджавы и раки-богомолы.

Междисциплинарное исследование, проведённое под руководством профессоров инженерной механики Айми Уиссы и Элисон Данн, профессора энтомологии Марианн Аллин и аспиранта-механика, ведущего автора Офелии Болмин из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Science.

Многие насекомые используют различные механизмы, чтобы преодолеть ограничения своих мышц. Однако, в отличие от них, щелкуны применяют уникальный шарнирный механизм в своей груди, прямо за головой.

Чтобы понять, как работает этот шарнир, команда использовала высокоскоростную рентгеновскую съёмку, чтобы наблюдать и количественно оценить, как части тела жука движутся до, во время и после сверхбыстрого высвобождения энергии.

«Механизм шарнира имеет шип с одной стороны, который защёлкивается на выступе с другой стороны шарнира, — объяснила Аллин. — Когда защёлка отпускается, раздаётся слышимый щелчок и происходит быстрое разгибание, которое вызывает прыжок жука».

Рентгеновские видеозаписи и аналитический инструмент под названием «идентификация системы» позволили команде определить и смоделировать силы и фазы щелкающего движения.

Исследователи наблюдали значительные, но относительно медленные деформации в мягкой ткани шарнира жука, предшествующие быстрому разгибанию.

«Когда шип в шарнире соскальзывает с выступа, деформация в мягких тканях высвобождается чрезвычайно быстро, и шип колеблется взад-вперёд в полости под выступом, прежде чем остановиться, — сказала Уисса. — Быстрое высвобождение деформации и повторяющиеся, но затухающие колебания демонстрируют два основных инженерных принципа: упругую отдачу и демпфирование».

Ускорение этого движения более чем в 300 раз превышает ускорение свободного падения на Земле.

«Удивительно, но жук может повторять этот щелкающий манёвр, не получая при этом значительных физических повреждений, — отметила Данн. — Это заставило нас сосредоточиться на том, чтобы выяснить, что жуки используют для накопления, высвобождения и рассеивания энергии».

«Мы обнаружили, что насекомое использует явление, называемое snap-buckling (мгновенное выпучивание) — базовый принцип инженерной механики — для чрезвычайно быстрого высвобождения упругой энергии, — сказала Болмин. — Это тот же принцип, что используется в прыгающих поппер-игрушках».

«Эта работа оказалась отличным примером того, как инженерия может учиться у природы и как природа демонстрирует принципы физики и инженерии», — добавила Уисса.

«Для биологов эта работа даёт новое представление о том, как и почему щелкуны эволюционировали таким образом, — заключила Аллин. — Такого рода понимание, возможно, никогда бы не увидело свет, если бы не это междисциплинарное сотрудничество между инженерией и биологией. Оно открывает новую дверь для обеих областей».