Американські матеріалознавці докладно вивчили мікромеханіку пташиних гнізд. Для цього вони спресовували випадково укладені бамбукові палички і за допомогою тривимірної рентгенівської томографії стежили за точками їх дотиків. Робота вчених показала, що асиметрична поведінка контактів між паличками в ході циклів стиснення і релаксації визначає характерні механічні властивості гнізда. Дослідження опубліковано в, коротко про нього повідомляє.
Коли птах вибирає гілку для будівництва гнізда, він може спочатку ткнути її дзьобом або потрясти, щоб зрозуміти, наскільки її механічні властивості підходять для цього. Птах інстинктивно пов'язує ці властивості з властивостями всієї конструкції майбутнього гнізда. Така здатність особливо дивна, враховуючи, наскільки складною системою виявляється отримуване переплетення.
Подібні середовища фізики і матеріалознавці почали вивчати порівняно недавно. Безладно упаковані стрижні займають проміжне положення між упаковкою більш компактних твердих гранул (наприклад, піску або рису) і довгих сплутаних ниток (грудка волосся або вовни в нетканному тексті). Міцність гнізд забезпечує взаємодію (тертя, вигин) гілочок при загальній пружності конструкції. Це означає, що макроскопічні властивості такого матеріалу залежать не тільки від властивостей самих стрижнів, але і від характеру їх упаковки або укладання, через що пташині гнізда можна віднести до механічних метаматеріалів.
Група американських матеріалознавців під керівництвом Маттіа Газзола (Mattia Gazzola) з Університету Іллінойсу в Урбані-Шампейні і Хантера Кінга (Hunter King) з Університету Акрона вивчила, як реагують на стиснення поршнем випадково упаковані в пластиковий циліндр бамбукові палички. Залежність між напругою і деформацією такої системи не тільки виявилася нелінійною, але і містила гістерезу, тобто пам'ять про те, з якого початкового стану вона будувалася. Вчені якісно пояснили таку поведінку втратою енергії при терті між паличками. Тепер же, озброївшись рентгенівською 3D-томографією і комп'ютерним моделюванням, матеріалознавці вирішили охарактеризувати ефект кількісно.
У серії експериментів вчені випадковим чином упаковували 460 бамбукових стрижнів довжиною 76 і діаметром 2,4 міліметра в акрилову циліндричну ємність діаметром 140 міліметрів, після чого піддавали їх випробуванню циклами компресії, вимірюючи виникаючу напругу за допомогою двох датчиків. Діаграма деформування гнізда мала нелінійний і гістерезисний характер. Вона трохи зміщувалася від циклу до циклу в міру утрамбовування упаковки (фаза пластичності), але починаючи з деякого моменту стабілізувалася. Автори змоделювали поведінку паличок за допомогою програмного пакета Elastica і отримали хорошу згоду.
Наявність гістерезису явно свідчить про дисипацію в системі. Іншими словами, механічні властивості гнізда багато в чому визначає тертя між паличками, яке виникає в точках їх зіткнення. Щоб відстежити ці точки, вчені піддавали ємність тривимірній рентгенівській томографії. Методом вододілу вони сегментували самі палички, чиє невелике перекриття свідчило про контакт.
Автори характеризували точки двома параметрами: координаційним числом (тобто, середнім числом контактів на одну паличку) і середнім проковзанням контактів за цикл. Так, вони з'ясували, що зіткнення розподілені за обсягом нерівномірно. Це стало наслідком того, що об'ємна частка заповнення зменшувалася поблизу меж ємності. Координаційне число циклічно збільшувалося протягом всієї фази пластичності, поки для середини обсягу не досягло значення 9,4, що майже дорівнює своїй теоретичній межі, рівній 10.
Спостерігаючи за обома параметрами протягом одного циклу компресії та релаксації, вчені помітили, що, хоча контакти щоразу повертаються в ту ж стартову точку, вони приходять в рух (тобто, долають статичне тертя) при різних деформаціях. Це призводить до асиметричного тимчасового профілю, і, як наслідок, до загальної гістерезису в системі. Розуміння цього механізму дозволить використовувати матеріали, влаштовані схоже на пташині гнізда, в архітектурі.
Від редактора
У початковому варіанті новини розміри паличок були наведені в сантиметрах, хоча насправді там повинні бути міліметри
Птахи та їхня життєдіяльність не вперше стають інтересом для фізиків. Раніше ми розповідали, як вчені оцінили роль квантової когерентності в роботі пташиного компаса і розібралися з контролем швидкості в зграї скворців.