Фізики розібралися зі зльотом павуків за рахунок електростатичних сил

Фізики побудували математичну модель павука, який піднімається в повітря за рахунок електричного заряду на нитках павутини. Вони не тільки змогли відтворити результати експерименту, але і виявили, що занадто великий заряд збільшує вітрильність павутини, що може, залежно від умов, або гальмувати, або прискорювати зліт. Дослідження опубліковано в, коротко про нього пише.

Щоб літати, тваринам не обов'язково потрібні крила. Це доводять деякі арахніди, особливо павуки, які вміють плести з павутини «вітрила» у вигляді конічних пучків, завдяки яким злітають вгору. Вперше такий спосіб переміщення описали ще в XVII столітті. Передбачається, що повітроплавання допомагає павукам освоювати нові території.

Довгий час вважалося, що відрив від землі за допомогою павутини пов'язаний з природними конвекційними потоками, викликаними температурними градієнтами над поверхнею землі. Спроба моделювання цього процесу, однак, виявила, що нитки павутини схильні до сильного скручування і згинання під дією турбулентних потоків. Виявилося, що попередні дослідження не враховують наявність на нитках електричного заряду, який перешкоджає деформації і визначає характерну конічну форму «вітрила».

Але зовсім недавно вчені почали підозрювати, що роль цих зарядів у повітроплаванні павуків набагато більша. Справа в тому, що між землею і хмарами постійно існує невелика різність потенціалів. Розрахунки і експеримент, в рамках якого вчені виключили будь-які турбулентні потоки, підтвердили гіпотезу про те, що атмосферної електрики достатньо, щоб павук з масою порядку міліграма міг за рахунок нього злетіти. Для цього сумарний заряд ниток повинен становити близько нанокулона. Зараз фізики намагаються за допомогою моделювання зрозуміти деталі цього фізичного процесу.

Таке завдання поставили перед собою Шарбель Хабчі (Charbel Habchi) з Університету Нотр-Дам-Луез, Ліван, і Мохаммад Джавед (Mohammad Jawed) з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі. Вони розробили чисельну модель, що враховує в'язкість, вагу і розміри нитки і павука, електростатичні підйомну силу і сили відштовхування, а також силу упругого вигину, яка впливає на розгортання «вітрила». У майбутньому це може стати в нагоді в розробці нових типів аеростатів для вивчення властивостей атмосфери.

Досі невідомо, яким саме способом павуки заряджають свої нитки. Передбачається, що це відбувається або в процесі прядіння, або після нього через тертя павутини об повітря. Неясно також як саме розподілений заряд по нитці. Автори провели моделювання для випадків, коли заряд розподілений рівномірно і коли він сконцентрований на кінці нитки.

Механічна модель павука спиралася на характеристики представників роду, з якими був раніше проведений експеримент. Фізики описали павука у вигляді сфери масою один міліграм і радіусом один міліметр, зарядженої зарядом три пікокулони. У початковий момент часу зі сфери виходило вертикально вгору кілька ниток довжиною 100 мікрометрів, щільністю 1200 кілограм на кубічний метр і радіусом 300 нанометрів. Дослідники варіювали кількість ниток від 1 до 8. В реальності їх число може досягати сотні, однак, як показало моделювання, збільшення числа ниток слабо впливає на динаміку зльоту.

На першому етапі фізики постаралися максимально точно відтворити експеримент. Вони врахували опір повітря, через який швидкість павука після зльоту стабілізується. Моделювання за допомогою однієї нитки показало хорошу згоду з експериментальними даними.

Потім автори спробували зрозуміти, як відбуватиметься зліт для кількох ниток у павутині. Виявилося, що збільшення заряду ниток зменшує швидкість, з якої павук піднімається вгору. Такий контринтуїтивний результат зобов'язаний своїм походженням розкриттю ниткового «вітрила». Чим більше заряд на нитках, тим сильніше вони відштовхуються і тим під більшим кутом розкривається конус «вітрила», що, в свою чергу, надає гальмуючу дію і зменшує швидкість. З іншого боку, цей факт може, навпаки, сприяти підйому, якщо навколо павука присутні висхідні потоки повітря. Ймовірно, саме такий механізм відповідальний за польоти більш важкий павуків масою 100 міліграм, наприклад. Модель електростатичного повітроплавання пророкує для них не менше 100 нанокулон на нитку і дуже широке розкриття «вітрила», чого не спостерігається в реальності.

Від редактора

У початковому варіанті новини було сказано, що фізики описали павука у вигляді сфери масою один грам, хоча насправді його маса становила один міліграм

Раніше ми розповідали, як фізик зі США побудував математичну модель, яка допомагає обчислити динамічні властивості відразу декількох типів переміщення тварин.