@ 2017.09.29 , 09:00

为什么蜘蛛绳降时不会失控打转

我们观察到绳降蜘蛛能用自身的拖丝优雅地下滑,而不会不可预测和不可控制地转起来,于是试图理解背后的科学。

蜘蛛不仅会用拖丝编织蛛网,也将其用于垂降到地面过程中的救生索。这是蜘蛛产生的最强韧的丝,因为必须要能承受住全部重量。我们知道它具有非凡的性质,比同等重量下的钢铁还要强韧。蜘蛛能在室温下利用简单的可持续材料制造蛛丝,没有任何不利影响。

但悬挂在拖丝上的蜘蛛也是稳定旋转的,大异于挂在一条人造绳索上的重物,不管是麻类植物卷成的天然绳索,还是钢索。

为什么蜘蛛绳降时不会失控打转
credit: 煎蛋小编&画师樂米張

扭转是研究材料机械性质的最敏感方式。卡文迪许在18世纪利用扭摆在实验室检测金属球间的引力作用。他的实验被称作“称量地球”,因为该实验测量了牛顿的万有引力常数“G”。

库伦也利用扭摆建立了自己的静电作用力法则。

我们的研究始于华中科技大学,现在在伦敦大学玛丽皇后学院继续,基于图像处理提出了改进扭摆。利用这一方法,记录了扭摆的往复震荡,通过分析图像得到扭转角度,据此改善了分析蛛丝对扭转的反应机制的研究方法。

测试蛛丝

我们收集了两种在实验室培养的蜘蛛的拖丝,Nephila edulis和大木林蛛Nephila pilipes。我们将拖丝挂在一个圆柱体内部,用两块垫片挂在末段模拟蜘蛛的重量。我们用一个旋转的转盘扭转丝线然后释放,用相机记录振动。

当对凯夫拉纤维、金属线以及其他传统纤维施加扭转并释放时,这些纤维就会自转或者围绕初始静止点振荡。而蛛丝令人讶异之处在于,对于所有扭转都围绕一个不同于初始静止点的位置振荡。

这意味着蛛丝在第一次变形后“弯”了。橡胶、钢铁、石头、雕塑黏土等所有材料都会在负重时变形,但当负重被移除时就会立即弹回原本的形状。这被称为弹性。在更高的负重下,比如对于雕塑黏土而言很小的负重或者是对于钢铁而言很高的负重,这些材料会弯曲,永久保持形变。这就是可塑性。蛛丝在初次小形变作用下,是部分可塑也是部分弹性的。一般材料都不是这样子的,很难解释一种材料是如何做到这一点的。

蛛丝的弯曲驱散了大部分存储在扭转中的能量,这样就减小了接下来发生的振荡。否则这些振荡就会传递到吊在底下的蜘蛛。残余能量被空气阻力所耗散,或者是被蛛丝内部的分子结构中的摩擦所耗尽,但我们还不能确定。其他传统纤维的振荡则主要是被空气阻力耗散的。

分子层面

拖丝是由大量“小纤维”组成的,每条小纤维都包含蛋白质,这些蛋白质组成“无定形链”和“结晶片”。

无定形链之间以氢键宽松地连接到一起,不具有硬性的形状。结晶片则具有高度清晰的结构。

我们猜测,在扭转作用之下,连接较弱的无定形链可被很轻易的改变。这种变形结合小纤维之间的摩擦力,能迅速驱散施加的能量。同时,在变形后,结晶片能恢复初始形状,这样就保持了蛛丝的形状。

对拖丝如何抵抗自旋的更好理解可能最终促进具有相同性质的仿生纤维的研发。这可被用于大量领域,比如直升机救援梯和降落伞绳。虽任重道远,但曙光初露。

论文原文:doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.4990676

本文译自 conversation,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。David J Dunstan& Dabiao Liu(伦敦大学玛丽皇后学院)


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