Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Вы когда-нибудь задумывались, почему паук не падает с потолка вам на голову? У него же нет какого-то специального клея, присосок или оборудования для альпинизма.
Вот он висит себе спокойно вверх ногами, плетет паутину или гоняется за мухой — а гравитация будто забыла о его существовании.
Разгадка кроется в такой ювелирной инженерии природы, что современные технологии до сих пор не могут ее повторить.
Паук ходит по потолку за счет сил, которые работают на уровне атомов. Давайте посмотрим, как эволюция превратила обычные лапки в нанотехнологическое чудо.
Невидимый клей, который всегда с тобой
Лапы паука использует силы, которые есть буквально везде — между любыми двумя атомами во Вселенной. Это так называемые силы Ван-дер-Ваальса.
Человечество открыло эти силы, но использовать пока их смог только паук.Как обычно: теория — людям, практика — насекомым.
Здесь придется немного углубиться в современную физику, но обещаю вам рассказать максимально просто и без единой формулы.
Как мы знаем из школьного курса физики:
- Ядро содержит положительно заряженные протоны
- Электроны вокруг ядра отрицательно заряжены
- Когда количество протонов = количество электронов → Итого в атоме: 0 заряда
НО вот в чём хитрость: электроны не стоят неподвижно вокруг ядра.
Электроны в атомах не находятся, как локальные шарики, а постоянно носятся туда-сюда, создавая крохотные временные «плюсы» и «минусы».
Это эффект электронного облака (то есть электрон — не как шарик, а как облако). Скопилось чуть больше «облаков» слева — и атом с этой стороны отрицательно заряжен, а с другой — положительно.
Когда два атома оказываются достаточно близко — эти «плюсы» и «минусы» начинают притягиваться друг к другу. Каждая связь — крайне слабая, но когда их миллионы работают одновременно — получается крепче заводской сварки.
Силы Ван-дер-Ваальса — это не клей. Это физический флирт.
Как эта физика работает у паука
Представьте: на кончике каждой паучьей щетинки находится микроскопическая пластинка, называемая спатула (она толщиной всего 20 нанометров). Когда паук прижимает эту спатулу к потолку, её поверхность подходит очень близко (всего несколько нанометров) к атомам потолка.
На этом ультракоротком расстоянии электроны в атомах спатулы начинают «чувствовать» электроны в атомах потолка. Их облака электронов создают те самые временные плюсы и минусы, которые притягиваются друг к другу.
Одна спатула притягивается очень слабо, но у паука на всех восьми лапах есть примерно 96 миллионов спатул, и все они одновременно прижимаются к потолку. Когда вы складываете 96 миллионов крохотных сил вместе, получается достаточно мощное притяжение.
Удерживается не только вес паука.
Немецкие ученые выяснили: паук способен удерживать груз, который тяжелее его самого в 170 раз! Это все равно что вы повисли на потолке, а к вам прицепили четыре «Газели» — и вы не падаете.
Вот так природа превратила квантовую физику атомов в практическое инженерное решение: не нужна липкая паутина, не нужны присоски — просто миллионы микроскопических пластинок, использующих самую фундаментальную силу природы, которая существует между любыми двумя атомами во Вселенной.
Восемь ног, одна задача — не свалиться
Как паук ходит по стенам и потолку, не теряя равновесия? У него же нет рук, чтобы хвататься, нет присосок, нет страховки… Хотя стоп, страховка есть! Паук постоянно оставляет за собой тонкую шелковую нить — на всякий случай. Это как альпинист со страховочной веревкой, только веревка выходит прямо из тела.
Паук всегда оставляет страховочную нить.Потому что даже паук знает: никому нельзя доверять, особенно потолку.
Но главное — это координация ног. Паук использует так называемую чередующуюся тетраподу. Звучит умно, но на деле это просто означает: четыре ноги на земле (или на потолке), четыре в воздухе, постоянно меняются. На горизонтальных поверхностях паук держит в контакте сразу пять-шесть ног из восьми — для максимальной устойчивости. А когда карабкается по вертикальной стене или ползет по потолку, снижает до четырех лапок — экономит энергию.
Что мы так и не смогли повторить из технологий природы
Конечно, воссоздать такую систему хочется. Например, можно оборудовать роботов, чтобы проникали в труднодоступные места.
Вот уже больше 20 лет ученые пытаются создать синтетический аналог паучьих лапок. Казалось бы, мы же разобрались в принципе! Силы Ван-дер-Ваальса, наноструктуры — бери и делай.
Ага, щас. Максимум, чего достигли — это 68% от эффективности натуральной системы.
Проблема в масштабах. Создать структуры толщиной в 20 нанометров — это на пределе возможностей современных технологий. Но даже если создать — они быстро изнашиваются. А натуральные спатулы паука работают миллионы раз без всякой деградации! Плюс нужна не просто куча нанощетинок, а их идеально согласованная работа.
Это как оркестр из 96 миллионов музыкантов, где каждый знает свою партию и играет в унисон. Нереально сложная задача!
Зато паучьи лапы вдохновили инженеров на создание специальных адгезивных материалов для роботов, которые смогут карабкаться по стенам в поисково-спасательных операциях. Или для космических аппаратов, которым нужно цепляться за астероиды. Ведь силы Ван-дер-Ваальса работают даже в вакууме!
Так что в следующий раз, когда увидите паука на потолке, просто помните: под этими крохотными лапками работают 96 миллионов наноконтактов, использующих квантовые эффекты для борьбы с гравитацией. Неплохо для существа, у которого мозг размером с булавочную головку, правда?
Поделись видео: