Физики использовали высокоскоростную видеосъемку, чтобы пронаблюдать за судьбой водомерок под обстрелом каплями воды. Оказалось, что водомерки могут утонуть, если окажутся в центре вторичной воронки, ускорение схлопывания которой будет больше, чем 5,7 ускорения свободного падения. Исследование, которое может помочь разобраться с тонущим пластиком, опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Клопы-водомерки (целое семейство насекомых Gerridae) используют гидрофобные окончания на лапках, позволяющие им не тонуть в воде. Их способности уже не раз тестировали в различных природных условиях. Например, водомерка гораздо хуже прыгает в воде с волнами или с большим количеством пузырей. Но до сих пор ученые несправедливо обходили вопрос попадания капель в водомерок, хотя их вес может быть в сорок раз больше веса одной водомерки.
Изучить этот вопрос решила группа ученых из Университета Теннесси и Университета Центральной Флориды под руководством Эндрю Дикерсона (Andrew K. Dickerson). Для этого они использовали высокоскоростную видеосъемку, несколько десятков водомерок, пойманных в местных водоемах энтомологами, а также шприц с водой, отмеряющий четырехмиллиметровые капли. Перед экспериментом водомерок анестезировали угарным газом (ни одна водомерка от этого не пострадала — после эксперимента они приходили в себя в течение 10 минут), чтобы увеличить вероятность процесса попадания капли в водомерку.
Ученые помещали до двадцати водомерок в квадратный аквариум со стороной в шесть сантиметров и глубиной в десять сантиметров и затем выпускали серию капель из шприца с расстояния от 30 до 170 сантиметров, что позволяло менять скорость капель. В ходе эксперимента капля подлетает к поверхности воды, ударяется об нее и образует первичный кратер, после чего формируется первичная струя, падение которой формирует вторичный кратер и вторичную струю. Исследователи обнаружили, что водомерку отправляет под воду именно второй кратер, когда первичная струя вдавливает водомерку под воду без пузырька воздуха (иначе он называется пластрон).
Затем физики взялись за разработку модели. Для начала они рассчитали вероятность попадания капли в водомерку. Площадь поверхности воды, искаженная гидрофобной поверхностью лапок водомерки, для взрослой особи составляет примерно 165 квадратных миллиметров. Если предположить условия очень сильного и интенсивного дождя, то в водомерку будут прилетать капли каждые семь секунд.
Из-за незначительной массы водомерки (шесть миллиграмм) ее наличие в кратере никак не влияло на его форму. Тем не менее ученые с помощью безразмерных коэффициентов смогли описать глубину кратера и высоту струи в зависимости от первичной скорости капли и ее размера. Чем быстрее и массивнее капля, тем глубже кратер и выше струя воды — а значит, у водомерки больше времени среагировать и вовремя отпрыгнуть.
После падения первичной струи (с водомеркой или без) формируется вторичный кратер с менее гладкой и симметричной формой. В этой фазе у водомерки наибольший риск оказаться под водой — все потому, что в этот момент ускорение водной поверхности на дне кратера достигает значений в 50 ускорений свободного падения, тогда как на более плоском дне первичного кратера всего 3. Авторы отмечают, что значение ускорения, достаточного для погружения водомерки под воду составляет 5,7 ускорения свободного падения. Однако для соленой или загрязненной воды это значение может быть другим.
Впрочем, физически водомерки выдерживают удар капли, которая может воздействовать силой в 0,6 ньютона: их предел прочности — 1,5 ньютона. Под водой водомерки могут плавать за счет активных толчков — которые к большому сожалению водомерки не приводят к всплытию. По наблюдениям физиков водомерки доплывают до ближайшего сухого места (в опытах это были акриловые пластинки), цеплялись за него и ждали, пока лапки полностью высохнут. После этого они вновь восстанавливали свою возможность ходить по воде.
А пока некоторые ученые наблюдают за водомерками, другие вовсю используют уже накопленные данные для полезного применения. Например, американские инженеры модифицировали лапки роботаракану для возможности ходить по воде.