@ 2017.09.29 , 09:00
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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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TOTAL COMMENTS: 28+1

  1. aficionado
    @3 weeks ago
    3574556

    配图行。。

    [48] XX [2] 回复 [0]
  2. 大红
    @3 weeks ago
    3574588

    前几天玩电脑的时候一只蜘蛛直接从天花板速降到我眼前

    [74] XX [0] 回复 [3]
  3. 路人X
    @3 weeks ago
    3574591

    有意思的问题

    [12] XX [0] 回复 [0]
  4. fengsha911
    @3 weeks ago
    3574596

    他要是旋转停不下来。我估计谁的棺材板又盖不住了

    [7] XX [10] 回复 [1]
  5. 3574599

    @大红:然后电脑音箱突然响起碟中谍BGM

    [76] XX [0] 回复 [0]
  6. 3574603

    总结一下,蜘蛛不变形是因为蛛丝同时具有可塑性和弹性,在扭动后会形变,该特性可能得益于蛛丝的特殊分子结构

    [51] XX [0] 回复 [0]
  7. Gallows
    @3 weeks ago
    3574604

    拉💩的时候边拉边转圈 💩也不会在py里疯狂旋转啊

    [3] XX [19] 回复 [0]
  8. 3574634

    有一个问题:蒙住下面的蚊香后,图中的蜘蛛到底是向左转还是向右转?

  9. Nobody
    @3 weeks ago
    3574635

    @stark:
    没啥音箱了,房子都烧净了

    [21] XX [0] 回复 [0]
  10. 琪露诺
    @3 weeks ago
    3574644

    因为不转不是中国人

    [38] XX [2] 回复 [0]
  11. 佚之狐L
    @3 weeks ago
    3574647

    怎么解释把速降的蜘蛛怼得爬上去,一会它再速降还是不会水平转呢?可塑多次?
    别问我为什往上怼,我哈利波特

  12. 777(持久强势)
    @3 weeks ago
    3574667

    会转的,我测试过了,这个文章怎么回事。

  13. 食品级怪蜀黍
    @3 weeks ago
    3574753

    那么,南半球的蛛丝和北半球的蛛丝是不是弯的方向也不一样?

  14. 木制蜗牛
    @3 weeks ago
    3574758

    下一步研究“为什么特警速降时不会失控打转”

  15. 3574759

    @jeri: 眼睛,让我发现了前后感,加上身上的光影,导致我看十遍只有一次是左转的,还很快就纠正了。。。

  16. ss30mi
    @3 weeks ago
    3574812

    确实没考虑过这个问题。无用知识+1。

  17. 偷渡客
    @3 weeks ago
    3574919

    我有一天做了个奇怪的梦,梦到自己一会变成蜜蜂,一会变成蜘蛛,然后我就在那吐丝,不对,是喷丝,从屁股那边喷丝。似梦非梦的,即使隐隐约约感觉一边喷丝,屁股眼很疼,那种有绳子在里面抽动的感觉,早上醒来,内裤上都是血。不知道为什么

  18. 脑子坏掉了
    @3 weeks ago
    3574920

    @ss30mi:
    人的知识越少,越容易觉得某个知识没用

    [12] XX [1] 回复 [0]
  19. 脑子坏掉了
    @3 weeks ago
    3574921

    打赏付款前关掉页面就不会记录打赏者的名字?

  20. 李淳风
    @3 weeks ago
    3574925

    会转的。

  21. 脑子坏掉了
    @3 weeks ago
    3574949

    @佚之狐L:
    可它下次速降的时候会喷出新的丝……

  22. zhangnew
    @3 weeks ago
    3575015

    大自然的鬼斧神工

  23. 3575057

    轨道电梯指日可待

  24. 十块一夜
    @3 weeks ago
    3575075

    @Nobody: 常规操作不是核平嘛

  25. Apolien
    @3 weeks ago
    3575149

    在一堆封面中这张动图可以说是非常魔性了

  26. 3575994

    刘大飙?

  27. 3578060

    正在吐丝的蜘蛛有时会突然掉下来,是因为意识到自己要失控打转了,果断菊花一紧把丝夹断

  28. 真-节操大帝
    @3 days ago
    3588610

    要不是看原文和原文的图 我真的没看懂这个原理是什么几把玩意儿 煎蛋的译文以后能不能把人家原文的示意图一起发啊

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