„Jest to dla mnie całkowicie zaskakujące” – mówi fizyk Hunter King z Uniwersytetu w Akron w Ohio. Ptaki wydają się mieć wyczucie dla tego, jakie właściwości ma poszczególny patyk i jakie będzie miało to przełożenie na charakterystykę gniazda. „To coś, o czym nie wiemy absolutnie nic” – dodaje King.
Gniazdo ptaka to specjalna wersja materiału granularnego, czyli substancji, takiej jak piasek, składającej się z wielu mniejszych obiektów. King i jego zespół połączyli eksperymenty laboratoryjne z symulacjami komputerowymi, aby lepiej zrozumieć dziwactwa materiałów granularnych podobnych do tych używanych w gniazdach. Wyniki badań zespołu zostaną opublikowane w Physical Review Letters.
W eksperymentach tłok wielokrotnie naciskał na 460 bambusowych prętów rozproszonych wewnątrz cylindra. Symulacje komputerowe pozwoliły badaczom na analizowanie punktów, w których pręty się stykały, co jest kluczowe dla zrozumienia właściwości materiału.
Im więcej siły wywierał tłok na stos, tym bardziej się on usztywniał, co oznacza, że stos opierał się dalszej deformacji. Kiedy tłok naciskał na stos, patyki przesuwały się względem siebie, a punkty kontaktowe między nimi się przestawiały. To usztywniło stos, pozwalając na dodatkowe punkty kontaktowe między patykami, co uniemożliwiło im dalsze wyginanie się – pokazały symulacje.
Zmiany w sztywności stosu wydawały się opóźnione w stosunku do ruchu tłoka, co nazywa się histerzą. Ten efekt spowodował, że stos był bardziej sztywny, kiedy tłok pchał go do środka, niż gdy materiał odbijał się z powrotem podczas wycofywania tłoka. Symulacje sugerują, że histeria pojawiła się, ponieważ początkowe tarcie między patykami musiało zostać pokonane, zanim punkty kontaktowe zaczęły się przestawiać.
Poza gniazdami ptaków, ta technologia może być stosowana w innych materiałach z nieuporządkowanymi układami długich włókien, takich jak filc. Dzięki lepszemu zrozumieniu fizycznych właściwości takich materiałów inżynierowie mogą wykorzystać je do tworzenia nowych struktur, zaprojektowanych nie tylko do ochrony jaj ptasich, ale również innych cennych ładunków, które ludzie uważają za bezcenne.
Odkrycie, które przeprowadził Hunter King z Uniwersytetu w Akron, otwiera drzwi do zrozumienia nie tylko procesu budowy gniazd przez ptaki, ale również dla innych materiałów granularnych. Dzięki temu naukowcy będą w stanie stworzyć nowe struktury, które będą odporniejsze na uszkodzenia, a tym samym zapewnią ochronę dla różnych cennych ładunków.
Odkrycie Kinga może mieć również praktyczne zastosowanie w projektowaniu struktur, które muszą wytrzymać ekstremalne warunki. Dla przykładu, takie rozwiązanie mogłoby być wykorzystane w projektowaniu przegród wewnątrz samochodów, które chroniłyby pasażerów w przypadku kolizji.
Podsumowując, odkrycie, które przeprowadził Hunter King, otwiera nowe możliwości w zrozumieniu właściwości materiałów granularnych, a także w projektowaniu nowych struktur, które będą odporniejsze i bardziej funkcjonalne. Możliwości te mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w budowie gniazd ptaków, ale również w różnych dziedzinach inżynierii, gdzie nieuporządkowane materiały są często wykorzystywane.
Modyfikowany: 4 kwietnia, 2023
