Наблюдайте водоем близко, и Вы будете, вероятно, видеть сотни из небольшой воды striders проносящийся через воду удивительно длинными, тонкими ногами. Что определяет точную длину ног жуков? Новое вычисление предполагает, что развитие оптимизировало их длину: они просто достаточно длинны для поддержки максимального возможного веса, не добавляя бесполезное сопротивление.
Striders полагаются на поверхностное натяжение для хранения себя на плаву. Молекулы воды привлекают друг друга, таща поверхность, тугую как кожа барабана так, чтобы она могла поддержать вес объекта, даже если объект является более плотным, чем сама вода. Конечно, объект должен быть светом и широкий для распространения его веса через поверхность.
Вот почему ноги водного strider являются такими длинными. Начиная с Галилео ученые изучили такие явления, и физики проанализировали простые модели объектов как ноги водных strider, такие как конечно длинные пруты или конечные но негибкие пруты, плавающие на поверхностях.
Но все эти вычисления оставили простой вопрос оставшимся без ответа: Что определяет точно, какой длины ноги водного strider должны быть?Доминик Велла, физик в Ecole Normale Superieure в Париже, решил узнать. Для этого он добавил простой, но ключевой поворот к вычислениям: Он смоделировал ногу как прут конечной длины, которая, как реальные водные-strider ноги, могла согнуться как весенняя сталь.
Это немного изгиба изменяет все. Оттолкните на твердом пруте, и все это продвигается в воду. Таким образом, общая восходящая сила равняется силе времен поверхностного натяжения длина прута и сумма веса, прут может поддержать просто увеличения со своей длиной.Это не так для гибкого прута.
Думайте о ребенке в водоеме, качающемся на долгом, тонком плавании пены, названном лапшой водоема, поддержавшейся плавучестью и не поверхностным натяжением. Когда ребенок двигается в один конец, та сторона плавания опускается немного ниже воды и изгибов противоположной стороны из воды.
Восходящая сила на плавании прогрессивно становится меньшей дальше от ребенка. Сила на лапше ни до чего не спадает для конца, который это вне воды, поскольку вода не может поддержать что-то, чего это не касается. Почти такая же вещь происходит для сгибаемого прута, поддержанного поверхностным натяжением, говорит Велла.
Vella развил уравнение для определения, какого количества поддержек поверхностного натяжения могла достигнуть нога склонности любой данной длины. В очень коротких отрезках, нога чрезвычайно тверда, так добавляет, больше длины увеличивает сумму веса, который это может поддержать. Но в определенный момент – то, которое зависит от радиуса искривления ноги и его эластичности – добавляющий больше длины, делает объектный изгиб значительно.
Это добавляет сопротивление, но не увеличивает вес, который может поддержать вещь. Vella тогда измерил воду strider ноги и нашел, что они были просто короче, чем эта критическая длина, сообщил он в этом месяце в Langmuir. «Испытание развития тот предел», говорит он.Другие ученые выдвинули гипотезу, что изгиб влиял бы на восходящую силу, но уравнение Веллы показывает точно, как оптимизировать груз для объекта склонности различных длин и материалов, говорит Метин Ситти, инженер-механик в Университете Карнеги-Меллон в Питтсбурге, Пенсильвания.
Ситти говорит, что его бригада уже построила роботы переменных размеров, использующих поверхностное натяжение для ходьбы на воде, но знание подробной математики позади физики будет полезно.