Материаловеды разобрались в механических свойствах птичьего гнезда

Американские материаловеды подробно изучили микромеханику птичьих гнезд. Для этого они спрессовывали случайно уложенные бамбуковые палочки и с помощью трехмерной рентгеновской томографии следили за точками их соприкосновений. Работа ученых показала, что асимметричное поведение контактов между палочками в ходе циклов сжатия и релаксации определяет характерные механические свойства гнезда. Исследование опубликовано в Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Когда птица выбирает ветку для строительства гнезда, она может сначала ткнуть ее клювом или потрясти, чтобы понять, насколько ее механические свойства подходят для этого. Птица инстинктивно связывает эти свойства со свойствами всей конструкции будущего гнезда. Такая способность особенно удивительна, учитывая, насколько сложной системой оказывается получающееся переплетение.

Подобные среды физики и материаловеды начали изучать сравнительно недавно. Беспорядочно упакованные стержни занимают промежуточное положение между упаковкой более компактных твердых гранул (например, песка или риса) и длинных спутанных нитей (комок волос или шерсти в нетканном текстиле). Прочность гнезд обеспечивает взаимодействие (трение, изгиб) веточек при общей упругости конструкции. Это значит, что макроскопические свойства такого материала зависят не только от свойств самих стержней, но и от характера их упаковки или укладки, из-за чего птичьи гнезда можно отнести к механическим метаматериалам.

Группа американских материаловедов под руководством Маттиа Газзола (Mattia Gazzola) из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Хантера Кинга (Hunter King) из Университета Акрона изучила, как реагируют на сжатие поршнем случайно упакованные в пластиковый цилиндр бамбуковые палочки. Зависимость между напряжением и деформацией такой системы не только оказалась нелинейной, но и содержала гистерезис, то есть память о том, из какого начального состояния она строилась. Ученые качественно объяснили такое поведение потерей энергии при трении между палочками. Теперь же, вооружившись рентгеновской 3D-томографией и компьютерным моделированием, материаловеды решили охарактеризовать эффект количественно.

В серии экспериментов ученые случайным образом упаковывали 460 бамбуковых стержней длиной 76 и диаметром 2,4 миллиметра в акриловую цилиндрическую емкость диаметром 140 миллиметров, после чего подвергали их испытанию циклами компрессии, измеряя возникающее напряжение с помощью двух датчиков. Диаграмма деформирования гнезда имела нелинейный и гистерезисный характер. Она немного смещалась от цикла к циклу по мере утрамбовывания упаковки (фаза пластичности), но начиная с некоторого момента стабилизировалась. Авторы смоделировали поведение палочек с помощью программного пакета Elastica и получили хорошее согласие.

Наличие гистерезиса явно свидетельствует о диссипации в системе. Другими словами, механические свойства гнезда во многом определяет трение между палочками, которое возникает в точках их соприкосновения. Чтобы отследить эти точки, ученые подвергали емкость трехмерной рентгеновской томографии. Методом водораздела они сегментировали сами палочки, чье небольшое перекрытие свидетельствовало о контакте.

Авторы характеризовали точки двумя параметрами: координационным числом (то есть, средним числом контактов на одну палочку) и средним проскальзыванием контактов за цикл. Так, они выяснили, что соприкосновения распределены по объему неравномерно. Это стало следствием того, что объемная доля заполнения уменьшалась вблизи границ емкости. Координационное число циклично увеличивалось в течение всей фазы пластичности, пока для середины объема не достигло значения 9,4, что почти равно своему теоретическому пределу, равному 10.

Наблюдая за обоими параметрами в течение одного цикла компрессии и релаксации, ученые заметили, что, хотя контакты каждый раз возвращаются в ту же стартовую точку, они приходят в движение (то есть, преодолевают статическое трение) при различных деформациях. Это приводит к асимметричному временному профилю, и, как следствие, к общему гистерезису в системе. Понимание этого механизма позволит использовать материалы, устроенные похоже на птичьи гнезда, в архитектуре.

Птицы и их жизнедеятельность не первый раз становятся интересом для физиков. Ранее мы рассказывали, как ученые оценили роль квантовой когерентности в работе птичьего компаса и разобрались с контролем скорости в стае скворцов.

Марат Хамадеев