Как животные прокалывают: ключевую роль играет кинетическая энергия
Исследователи из Университета Иллинойса под руководством профессора Филипа Андерсона использовали арбалет и стрелы, чтобы изучить фундаментальный принцип, как животные используют клыки, когти и щупальца для прокалывания.
В экспериментах стрелу с регулируемым весом выстреливали из арбалета в кубы баллистического желатина, имитирующего плотность тканей. Измеряя глубину проникновения, ученые обнаружили, что кинетическая энергия стрелы — лучший показатель ее способности пробить цель.
Кинетическая энергия = ½ массы × скорость2
Поскольку скорость в формуле возводится в квадрат, ее увеличение влияет на энергию гораздо сильнее, чем увеличение массы. Это объясняет, почему мелкие животные (например, змеи, раки-богомолы, муравьи) для эффективного прокалывания развивают высокую скорость:
- Удар змеи: ~3 м/с
- Удар рака-богомола: ~7 м/с
- Укус муравья-трапджера: до 60 м/с (более 130 миль/ч)
Процесс прокалывания сложен: сначала нужно создать трещину в материале, преодолеть молекулярные связи и трение, а затем противостоять упругой энергии цели, которая может вытолкнуть объект обратно (что наблюдалось в половине испытаний).
Исследование, опубликованное в Interface Focus, — первый шаг к поиску универсальных биомеханических принципов, которые используют самые разные организмы — от медуз с микроскопическими нематоцистами до животных с клыками и когтями — для решения задачи прокалывания.