Физики объяснили эффективность волосков на языке при засасывании нектара

Американские физики количественно объяснили, как ворсинки на языке помогают летучим мышам и пчелам эффективно пить вязкий нектар. С помощью силиконовой модели ворсистой поверхности языка и теоретических оценок удалось найти оптимальную геометрию волосков, которая наблюдается и у реальных животных, пишут ученые в Physical Review Fluids. 

Чтобы повысить эффективность процесса потребления жидкости, разные животные пользуются разными механизмами, основанными на гидродинамических эффектах и смачивании. Некоторые используют шероховатые и неоднородные поверхности на языке, другие сворачивают язык в трубочку или увеличивают частоту движений. А летучие мышей и пчелы, например, пьют вязкий нектар из цветков с помощью ворсистого языка. Наличие ворсинок позволяет увеличить объем жидкости, который остается на языке после его погружения в цветок, и таким образом, позволяет сделать меньше движений, чтобы выпить нужное количество нектара.

Чтобы точно описать физический механизм всасывания нектара с помощью ворсинок на языке, группа физиков под руководством Анетт Хосои (Anette E. Hosoi) из Массачусетского технологического института смоделировала ворсистую поверхность экспериментально, описала наблюдаемые процессы теоретически и определила оптимальную геометрию расположения волосков.

В эксперименте ученые использовали ворсистую поверхность из полидиметилсилоксана с модулем упругости около 2 мегапаскалей. Каждый волосок имел форму усеченного конуса средним диаметром 0,3 миллиметра и длиной 2,7 миллиметра. Волоски располагались по узлам гексагональной сетки на расстоянии от 0,2 до 4,2 миллиметра. Общая длина поверхности составляла 6 сантиметров, а ширина — 4 сантиметра. В качестве жидкости, моделирующей нектар, ученые использовали достаточно вязкое силиконовое масло. В эксперименте такая поверхность сначала медленно погружалась в масло полностью (так, чтобы избежать образования воздушных пузырей), после чего с довольно большой скоростью (от 1 до 4 сантиметров в секунду) поднималась наружу.

Удерживание жидкости в виде пленки на такой поверхности происходит из-за поверхностного натяжения и вязких сил, которые уравновешиваются силой тяжести жидкости. Формирование на поверхности пленки происходит по механизму, аналогичному образованию жидкого слоя на смачивающей поверхности при погружении вертикальной пластины в жидкость в классической задаче Ландау — Левича, при этом устойчивость пленки дополнительно повышается за счет ворсинок. После этого жидкость, которую удалось поднять вверх в виде пленки, закрепленной между волосками, постепенно начинает стекать, и в течение 10 секунд стекает практически полностью. Чтобы оценить массу жидкости, которую удается изначально поднять между ворсинками, ученые использовали модель Дарси — Бринкманна для пропитки пористой среды вблизи твердой поверхности.

Результаты как эксперимента, так и теоретических оценок, показали, что максимальная масса жидкости, которую с помощью ворсистой поверхности можно поднять, достаточно мало зависит от скорости подъема поверхности и определяется в первую очередь концентрацией на ней волосков. При этом оптимальная концентрация зависит в первую очередь от вязкости жидкости и, например, для нектара, который пьют летучие мыши, максимальный объем жидкости можно поднять, если расстояние между ворсинками будет примерно равно диаметру одной ворсинки.

Оптимальные значения, полученные экспериментально и подтвержденные с помощью теоретической модели, ученые сравнили с реальными животными в природе, выбрав летучую мышь, поссума-медоеда и пчелу. Оказалось, что оптимальнее всего волоски на языке расположены у летучих мышей (их диаметр в среднем составляет около 0,15 миллиметра, а расстояние между волосками — 0,125 миллиметра). Близкая к оптимальной концентрация ворсинок и у поссума-медоеда. При этом у пчел волоски находятся ближе друг к другу, ученые связывают это с тем, что модель не учитывает возможную кривизну поверхности и капиллярную пропитку.

Стоит отметить, что возможность поднять из цветка больше нектара — не единственная функция ворсинок на языке или других биологических поверхностях. Например, из-за изгиба ворсинок жидкость, текущая вдоль такой поверхности с достаточной скоростью, начинает вести себя как неньютоновская, что помогает защитить поверхность от механического воздействия.

Александр Дубов