Пастка мурашиного лева виявилася ефективною тільки для комах середньої ваги

Колектив фізиків з декількох французьких університетів теоретично і експериментально описав, чому тільки мурахи середньої маси потрапляють у пастки мурашиного лева, тоді як більш легкі або більш важкі комахи частіше вибираються з неї. Виявилося, що шанси мурашок на виживання залежать від того, чи вистачає їх ваги, щоб залишити слід на схилі пастки: зовсім легкі мурахи не залишають слідів, тому схил не обсипається, а дуже важкі комахи залишають занадто глибокий слід, який служить для них сходинкою і не дає з'їжджати вниз. Дослідження опубліковане в .Пастки на мурахів, дрібних комах і павуків будують личинки з сімейства - мурашині леви. Для цього вони виривають воронку в піску, а самі закопується в її центрі і чекають видобутку, виставивши назовні тільки щелепи. З точки зору фізики ця пастка дуже хитро влаштована: її схил сформований під кутом, близьким до кута сходу (avalanche an^), тому навіть найменше обурення на поверхні призводить до обсипання схилу. Це обурення і викликають мурахи, коли потрапляють на схил воронки, це наочно представлено у фільмі BBC, уривок з якого опублікований нижче. Атака на мураха починається з 1:56. Однак експериментально відомо, що ймовірність потрапити в пастку сильно варіюється серед різних видів мурашок та інших комах, причому існує явна і нелінійна залежність між ймовірністю скотитися вниз і масою. Така поведінка йде врозріз із законом Амонтона-Кулона, згідно з яким сила тертя (яка утримує тварину на схилі) і тиск на поверхню пов'язані лінійно. В якості опорної точки нового дослідження французькі вчені експериментально побудували діаграму стійкості тіл на схилі. Для цього автори нахиляли коробку зі скляними крупинками різного розміру на кут, близький до кута сходу. Після цього на схил поміщали металеві диски різної маси і площі і в серії вимірювань оцінювали ймовірність того, що певний диск скотиться вниз по всій довжині схилу (близько 30 сантиметрів). Отримана діаграма ймовірності сходження від кута і тиску диска на схил (ставлення ваги до площі) підтверджувала залежність, відому для мурашок. Чим менше був кут нахилу в порівнянні з кутом сходу, тим менше була загальна ймовірність зісковзування. Однак для малих відхилень від кута сходу спостерігалася та сама нелінійна картина: зісковзували тільки диски середньої ваги (із середнім тиском на схил), тоді як легкі і важкі були стійкими.

Автори проаналізували поведінку дисків на плоскому піщаному ґрунті і дійшли висновку, що незвичайні дані пояснюються слідами, які об'єкти різної маси залишають на піску. Зовсім легкі диски ледь продавлювали ґрунт, чого було недостатньо для того, щоб викликати обсипання схилу. Важкі об'єкти ж глибоко занурювалися в пісок, тому навіть у разі обвалу вони не скочувалися в центр воронки: їх утримували власні сліди. Тільки диски середньої маси майже гарантовано скочувалися вниз: вони були досить важкими, щоб викликати обвал, але залишали недостатньо глибокі сліди, щоб за них вчепитися. Кількісно діаграму вдалося описати за допомогою теоретичних оцінок двох порогових значень тисків: того, при якому починався обвал, і того, при якому опору отриманого «сліду» достатньо, щоб утримати об'єкт від скочування. Автори відзначають, що подібні дослідження проводилися і раніше, проте попередники використовували занадто великі співвідношення терезів, площ і розміру піщаних крупинок, щоб вловити нелінійну залежність. Вчені сподіваються, що нові дані допоможуть описати поведінку тварин на осинаючих схилах, а також, можливо, знадобляться в робототехніці при вивченні руху по піску. Гранулярні середовища на зразок піску являють собою дуже незвичайний об'єкт з точки зору фізики. Вони в чомусь нагадують рідину, наприклад, проявляють капілярні ефекти, але з іншого боку поводяться як тверді тіла. Деякі мурахи цим успішно користуються для стрибків на відстані до 20 сантиметрів, наприклад, щоб втекти від того ж мурашиного лева. Подібно до твердих тіл, у гранулярних середовищах вдалося описати «ударні блискавки», що виникають за рахунок падіння масивного тіла. А окремим інженерним завданням є контроль руху на піщаних поверхнях, наприклад, на Марсі. Нещодавно дослідникам вдалося детально описати, як принципи руху на піску масштабуються від невеликих експериментальних об'єктів до реальних прототипів на зразок марсохода.