Идея создания самонесущей конструкции из стержней — без использования гвоздей, веревок или клея — принадлежит Леонардо да Винчи. В «Атлантическом кодексе» он изобразил проект самонесущего моста через реку, который легко смоделировать из зубочисток, спичек или палочек для еды. Однако такая конструкция хрупка — достаточно потянуть один из элементов или толкнуть мост снизу, чтобы он развалился.
Сконструированные по тому же принципу птичьи гнезда «изобретены природой» гораздо раньше — и, что поразительно, гораздо надежнее. Эти самонесущие конструкции из жестких палочек и веточек остаются устойчивыми, несмотря на постоянные воздействия, такие как ветер, вибрации земли, взлеты и посадки птиц.
Прочность гнезд стала предметом исследования, проведенного Гарвардской школой инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), его результаты вышли на страницах PNAS.
«Когда мы думаем о переплетении, обычно представляем гибкие элементы, обвивающие друг друга, как запутанные наушники или вьющиеся растения. Вопреки интуитивным представлениям, жесткие и прямые стержни тоже могут переплетаться — если они достаточно длинные или тонкие», — пояснил профессор прикладной математики Гарварда Л. Махадеван.
Гарвардский музей сравнительной зоологии предоставил в распоряжение исследователей настоящее птичье гнездо, свитое из стальной проволоки. Его просветили при помощи рентгеновской томографии.
«Голуби иногда гнездятся у стройплощадок и используют металлический лом для строительства, что нам помогло — рентгеновское сканирование металлов дает четкое изображение», — доволен математик Ёнсу Чон из SEAS, первый автор статьи.
После сканирования и анализа настоящих гнезд исследователи создали свои, используя стальные стержни с разным соотношением длины к диаметру (аспектным соотношением). Выяснилось, что чем оно выше — тем прочнее переплетение проволок.
«Заглянув внутрь, мы увидели "перколяцию" переплетения, — говорит Чон. — При низком аспектном отношении могли быть отдельные запутанные участки, но они распадались. А при высоком — все соединялось, и гнездо держалось».
На удержание систем из жестких элементов, в отличие от полимеров и микроскопических нитей, влияют трение и гравитация. Например, гнезда из менее вытянутых стержней становятся более переплетенными при встряхивании.
Исследование не только объясняет устойчивость птичьих гнезд, но и помогает понять другие чудеса животной архитектуры. Оно может также применяться в проектировании перестраиваемых конструкций или «активных» тканей.
«Локальные топологические ограничения, то есть невозможность для одного стержня пройти сквозь другой, определяют упорядоченное плетение в текстиле, — говорит Махадеван. — Наше изучение случайного переплетения жестких стержней показывает, как те же ограничения работают в хаотичной системе. Птицы легко сочетают хаос и топологию, чтобы эффективно строить гнезда. Сможем ли мы, люди, разгадать их секрет? Время покажет».
Синиц уличили в воровстве шерсти у живых хищников
Физики вывели общий закон разрыва сетей: от паутины до автошин и тканей человека