Wessen Haarstruktur ist robuster: die Morphologie der Haare

Haare sind für den modernen Menschen nicht mehr als ein Element der visuellen Selbstidentität, ein Teil des Images und des Erscheinungsbildes. Trotz dessen haben diese hornartigen Hautbildungen mehrere wichtige biologische Funktionen: Schutz, Temperaturregelung, Tasten usw. Wie stark sind unsere Haare tatsächlich? Es stellte sich heraus, dass sie wesentlich stärker sind als die Haare von Elefanten oder Giraffen.

Heute werden wir eine Studie kennenlernen, in der Wissenschaftler der University of California (USA) entschieden haben zu überprüfen, wie die Dicke des Haares und dessen Festigkeit bei verschiedenen Tierarten, einschließlich des Menschen, korreliert. Wessen Haare waren die stärksten, welche mechanischen Eigenschaften haben die Haare verschiedener Arten und wie kann diese Studie bei der Entwicklung neuer Materialtypen helfen? Darüber werden wir im Bericht der Wissenschaftler erfahren. Lass uns anfangen.

Basis der Forschung

Haare, die überwiegend aus Keratin bestehen, sind hornartige Hautbildungen von Säugetieren. Tatsächlich sind Haare, Fell und Pelz Synonyme. In ihrer Struktur bestehen Haare aus Kittschichten von Keratin, die übereinander liegen, wie umgefallene Dominosteine. Jedes Haar hat drei Schichten: die Kutikula – die äußere Schutzschicht; den Kortex – das markhaltige Material, das aus verlängerten abgestorbenen Zellen besteht (wichtig für die Festigkeit und Elastizität des Haars, bestimmt seine Farbe durch Melanin) und das Mark – die zentrale Schicht des Haars, die aus weichen Keratin-Zellen und Luftkammern besteht und an der Nährstoffübertragung zu anderen Schichten beteiligt ist.

Wenn man ein Haar vertikal teilt, erhält man den Oberhaarteil (Schaft) und den Unterhaarteil (Zwiebel oder Wurzel). Die Zwiebel wird von einem Follikel umgeben, dessen Form die Form des Haares bestimmt: runder Follikel – glatt, ovaler Follikel – leicht gewellt, knopfförmiger Follikel – lockig.

Viele Wissenschaftler nehmen an, dass sich durch den technologischen Fortschritt die Evolution des Menschen verändert. Das heißt, einige Organe und Strukturen in unserem Körper werden allmählich rudimentär – das sind solche, die ihre ursprüngliche Funktion verloren haben. Zu solchen Körperteilen zählen Weisheitszähne, der Blinddarm und die Körperbehaarung. Anders ausgedrückt glauben Wissenschaftler, dass diese Strukturen mit der Zeit einfach aus unserer Anatomie verschwinden werden. Ob dem so ist oder nicht, ist schwer zu sagen, aber für viele Laien sind Weisheitszähne beispielsweise mit einem Besuch beim Zahnarzt verbunden, um sie unvermeidlich entfernen zu lassen.

Wie dem auch sei, Haare sind für den Menschen notwendig, auch wenn sie vielleicht nicht mehr die entscheidende Rolle in der Thermoregulation spielen, aber ästhetisch gesehen sind sie nach wie vor ein unverzichtbarer Teil. Das Gleiche gilt für die Weltkultur. In vielen Ländern wurden Haare seit jeher als Quelle aller Kraft angesehen, und ihr Schnitt wurde mit möglichen Gesundheitsproblemen und sogar Misserfolgen im Leben in Verbindung gebracht. Die sakrale Bedeutung der Haare hat von den schamanischen Ritualen antiker Stämme zu moderneren Religionen, den Werken von Schriftstellern, Künstlern und Bildhauer gewandert. Insbesondere wurde die Schönheit der Frauen oft eng damit verknüpft, wie die Haare der Damen aussahen oder dargestellt wurden (zum Beispiel in Gemälden).

Achten Sie darauf, wie detailliert die Haare der Venus dargestellt sind (Sandro Botticelli, „Die Geburt der Venus“, 1485).

Lassen wir den kulturellen und ästhetischen Aspekt der Haare beiseite und kommen wir zur Betrachtung der Forschungsarbeit der Wissenschaftler.

Haar ist in irgendeiner Form bei vielen Arten von Säugetieren vorhanden. Wenn sie für den Menschen biologisch gesehen nicht mehr so wichtig sind, so sind Fell und Pelz für andere Vertreter der Tierwelt von lebenswichtiger Bedeutung. Dabei ähnelt die Grundstruktur der menschlichen Haare und beispielsweise der eines Elefanten sehr, obwohl es auch Unterschiede gibt. Das offensichtlichste ist die Größe, denn das Haar eines Elefanten ist viel dicker als das unsere, aber, wie sich herausgestellt hat, nicht robuster.

Wissenschaftler untersuchen Haare und Fell schon seit geraumer Zeit. Die Ergebnisse dieser Arbeiten wurden sowohl in der Kosmetik und Medizin als auch in der Leichtindustrie (oder wie die nicht weniger bekannte Kalugina L.P. sagen würde: „leichte Industrie“) umgesetzt, genauer gesagt in der Textilindustrie. Darüber hinaus hat das Studium der Haare wesentlich zur Entwicklung von Biomaterialien auf Basis von Keratin beigetragen, das bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts gelernt wurde, aus Tierhörnern mit Hilfe von Kalk zu gewinnen.

Das auf diese Weise gewonnene Keratin wurde zur Herstellung von Gelen verwendet, die durch die Zugabe von Formaldehyd verstärkt werden konnten. Später lernte man, Keratin nicht nur aus Tierhörnern, sondern auch aus deren Fell sowie aus menschlichem Haar zu gewinnen. Substanzen, die auf Keratin basieren, fanden Anwendung in der Kosmetik, in Verbundwerkstoffen und sogar in der Beschichtung von Tabletten.

Heutzutage entwickelt sich die Branche für die Erforschung und Produktion von starken und leichten Materialien rasch. Haare sind von Natur aus eines der natürlichen Materialien, die solche Forschungen inspirieren. Die Zugfestigkeit von Wolle und menschlichem Haar, die zwischen 200 und 260 MPa liegt, was einer spezifischen Festigkeit von 150-200 MPa / mg m-3 entspricht, ist beeindruckend. Dies ist fast vergleichbar mit Stahl (250 MPa / mg m-3).

Die Hauptrolle bei der Bildung der mechanischen Eigenschaften des Haares spielt seine hierarchische Struktur, die an eine Matrjoschka erinnert. Das wichtigste Element dieser Struktur ist der innere Kortex aus Kortexzellen (Durchmesser etwa 5 µm, Länge 100 µm), der aus gruppierten Makrofibrillen (Durchmesser etwa 0,2-0,4 µm) besteht, die ihrerseits aus intermediären Filamenten (7,5 nm im Durchmesser) bestehen, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind.

Die mechanischen Eigenschaften von Haaren, ihre Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Deformation sind direkte Ergebnisse der Wechselwirkungen zwischen amorphen und kristallinen Komponenten des Kortex. Die Keratinfilamente im menschlichen Haar weisen in der Regel eine hohe Dehnbarkeit auf und zeigen bei Bruch eine Deformation von mehr als 40%.

Dieser hohe Wert ergibt sich aus dem Entwirren der Struktur a-Keratin und in einigen Fällen seiner Umwandlung in b-Keratin, was zu einer Verlängerung führt (eine vollständige Umdrehung der Spirale von 0,52 nm wird auf 1,2 nm in der Konfiguration gedehnt). b). Dies ist auch einer der Hauptgründe, warum viele Studien sich auf Keratin konzentriert haben, um es in synthetischer Form nachzubilden. Die äußere Schicht des Haares (Kutikula) besteht, wie wir bereits wissen, aus Plättchen (0,3–0,5 μm dick und 40–60 μm lang).

Früher haben Wissenschaftler bereits die mechanischen Eigenschaften von Haaren von Menschen aus verschiedenen Alters- und Ethniengruppen untersucht. In dieser Arbeit wurde jedoch der Schwerpunkt auf die Unterschiede der mechanischen Eigenschaften von Haaren verschiedener Tierarten gelegt, nämlich: Mensch, Pferd, Bär, Wildschwein, Wasserbinsen, Pekaris, Giraffe und Elefant.

Ergebnisse der Studie

Bild Nr. 1: Morphologie des menschlichen Haares (A — Kutikula; Im — Bruch des Kortex; zeigt die Enden der Fasern, C — Bruchoberfläche, wo drei Schichten sichtbar sind; D — laterale Oberfläche des Kortex, die das Dehnen der Faser zeigt).

Das Haar eines Erwachsenen hat einen Durchmesser von etwa 80-100 μm. Bei normaler Haarpflege ist ihr Aussehen recht einheitlich (1A). Der innere Bestandteil des menschlichen Haares ist der faserige Kortex. Nach dem Zugversuch wurde festgestellt, dass Kutikula und Kortex des menschlichen Haares unterschiedlich brechen: Die Kutikula bricht normalerweise abrasiv (zerspringt), während die Keratinfasern im Kortex abgeblättert und aus der Gesamtlage herausgezogen wurden (1B).

Auf dem Bild 1C ist die fragile Oberfläche der Kutikula deutlich sichtbar, mit einer Visualisierung der Schichten, die übereinanderliegende Plättchen der Kutikula sind und eine Dicke von 350–400 nm haben. Das beobachtete Ablösen an der Bruchoberfläche sowie die fragile Natur dieser Oberfläche zeigen eine schwache Grenzschichtbindung zwischen Kutikula und Kortex, sowie zwischen den Fasern im Kortex.

Die Keratinfasern im Kortex waren abgeblättert (1D). Dies deutet darauf hin, dass der faserige Kortex in erster Linie für die mechanische Festigkeit des Haares verantwortlich ist.

Bild Nr. 2: Morphologie des Pferdehaars (A — Kutikula, deren einige Plättchen aufgrund mangelnder Pflege leicht abgewinkelt sind; Im — Erscheinungsbild des Risses; C — Details des Risses im Kortex, wo die abgerissene Kutikula sichtbar ist; D — Details der Kutikula).

Die Struktur von Pferdehaaren ähnelt der von menschlichen Haaren, mit Ausnahme des Durchmessers, der um 50% größer ist (150 μm). Auf dem Bild 2A Man kann offensichtliche Schäden an der Nagelhaut erkennen, wo viele Platten nicht so eng mit dem Stängel verbunden sind wie es bei menschlichem Haar der Fall war. Die Bruchstelle des Pferdehaars weist sowohl einen normalen Bruch als auch einen Haarriss (das Abblättern der Platten der Nagelhaut) auf. An 2B sind beide Varianten der Schäden sichtbar. An den Stellen, wo die Platten vollständig abgerissen sind, ist die Schnittstelle zwischen der Nagelhaut und dem Kortex sichtbar (2C). Mehrere Fasern wurden herausgerissen und schälten sich an der Schnittstelle. Der Vergleich dieser Beobachtungen mit vorherigen (menschliches Haar) deutet darauf hin, dass das Haar von Pferden nicht denselben starken Spannungseinwirkungen ausgesetzt war wie menschliches Haar, als die Fasern im Kortex gedehnt und vollständig von der Nagelhaut abgelöst wurden. Es ist auch zu erkennen, dass einige Platten vom Stängel abgetrennt wurden, was möglicherweise mit Zugspannung zusammenhängt (2D).

Bild Nr. 3: Morphologie von Bärenhaar (A — Kutikula; Im — Schäden an zwei Stellen, die mit der Bruchstelle verbunden sind; C — Rissbildung der Nagelhaut mit dem Abblättern von Fasern im Kortex; D — Details der Struktur der Fasern, einige herausgezogene Fasern sind aus der Gesamtstruktur sichtbar).

Die Dicke des Bärenhaars beträgt 80 µm. Die Platten der Nagelhaut sind extrem dicht aneinander befestigt (3A), und an einigen Stellen ist es sogar schwierig, einzelne Platten zu unterscheiden. Dies könnte mit der Reibung des Haares an benachbarten Haaren zusammenhängen. Bei Zugspannung zerbrachen diese Haare buchstäblich mit dem Auftreten langer Risse (Einfügung in 3B), was darauf hinweist, dass bei einem schwachen Bindungseffekt der beschädigten Nagelhaut die Keratinfasern im Kortex leicht abblätterten. Das Abblättern des Kortex führt zu Rissen in der Nagelhaut, was durch das gezackte Muster des Bruchs bestätigt wird (3C). Diese Spannung führt dazu, dass einige Fasern aus dem Kortex herausgezogen werden (3D).

Bild Nr. 4: Morphologie von Wildschweinhaar (A — üblicher flacher Haarbruch; Im — die Struktur der Nagelhaut zeigt einen schlechten Zustand der Integrität (Gruppierung) der Platten; C — Details des Risses an der Schnittstelle zwischen Nagelhaut und Kortex; D — herausgezogene Fasern aus der Gesamtmasse und herausstehende Fibrillen).

Das Haar des Wildschweins ist ziemlich dick (230 µm), insbesondere im Vergleich zu Bärenhaar. Der Bruch der Haare des Wildschweins bei Beschädigungen ist deutlich sichtbar (4A) senkrecht zur Zugrichtung bei Dehnung.

Relativ kleine freiliegende Cuticula-Plättchen wurden aufgrund der Dehnung ihrer Ränder vom Hauptkörper des Haares abgerissen (4В).

Auf der Oberfläche der Schadenszone sind deutlich die Schichten der Fasern zu erkennen, ebenso ist zu sehen, dass sie innerhalb des Kortex sehr fest miteinander verbunden waren (4С). Nur die Fasern an der Schnittstelle zwischen Kortex und Cuticula wurden aufgrund der Trennung freigelegt (4D), was das Vorhandensein dicker Fibrillen des Kortex (250 nm im Durchmesser) offenbarte. Einige der Fibrillen traten aufgrund der Deformation leicht hervor. Es wird vermutet, dass sie zur Verstärkung des Haars von Wildschweinen dienen.

Bild Nr. 5: Morphologie der Haare von Elefanten (A — C) und Giraffen (D — F). A — Kutikula; Im — stufenartiger Haarbruch; C — Hohlräume innerhalb der Haare weisen darauf hin, wo die Fasern herausgerissen wurden. D — cuticuläre Plättchen; E — glatter Haarbruch; F — Fasern, die an der Oberfläche im Bereich des Bruchs herausgerissen wurden.

Die Haare von Elefanten können einen Durchmesser von etwa 330 μm haben, während sie bei Erwachsenen 1,5 mm erreichen können. Die Plättchen an der Oberfläche sind schwer zu unterscheiden (5А).Das Haar des Elefanten neigt auch zu normalem Bruch, d.h. zu einer sauberen Trennung bei Dehnung. Zudem zeigt die Morphologie der Bruchfläche ein stufenartiges Erscheinungsbild (5В), möglicherweise bedingt durch das Vorhandensein geringfügiger Defekte im Kortex des Haares. Auf der Bruchfläche sind auch einige kleine Öffnungen zu sehen, wo zuvor wahrscheinlich die verstärkenden Fibrillen lagen (5С).

Bei Giraffen sind die Haare ebenfalls relativ dick (370 μm), obwohl die Anordnung der Cuticula-Plättchen nicht so klar ist (5D). Man nimmt an, dass dies mit Schäden durch verschiedene Umweltfaktoren (z. B. Reibung an Bäumen während des Fressens) zusammenhängt. Trotz der Unterschiede war der Haarbruch bei Giraffen dem bei Elefanten ähnlich (5F).

Bild Nr. 6: Morphologie des Haares von Wasserschweinen (A — doppelte cuticuläre Struktur der Plättchen; Im — Riss der doppelten Struktur; C — Fasern nahe der Bruchkante erscheinen brüchig und steif; D — verlängerte Fasern aus der Bruchzone der doppelten Struktur).

Die Haare von Wasserschweinen und Pekaris unterscheiden sich von allen anderen untersuchten Haaren. Bei Wasserschweinen ist das Hauptmerkmal die Anwesenheit einer doppelten Konfiguration der Cuticula und die ovale Form der Haare (6А). Der Einschnitt zwischen den beiden spiegelbildlichen Haarteilen ist notwendig, um Wasser schneller von dem Fell des Tieres zu entfernen, sowie für eine bessere Belüftung, die ein schnelleres Trocknen ermöglicht. Bei Dehnung trennt sich das Haar entlang der Einschnitte in zwei Teile, und jeder Teil zerbricht (6B). Viele Fasern der Rinde schälen sich ab und werden gedehnt (6C und 6D).

Bild Nr. 7: Morphologie des Haares von Pekari (A — Struktur der Kutikula und Bruchstelle; Im — Morphologie der Zerstörung der Rinde und Details ihrer Struktur; C — geschlossene Zellen (20 µm im Durchmesser), deren Wände aus Fasern bestehen; D — Zellwände).

Bei Pekaris (Familie Tayassuidae, d.h. die Pekari-Familie) haben die Haare eine poröse Rinde, und die Kutikula hat keine klaren Platten (7A). Die Rinde des Haares enthält geschlossene Zellen mit einer Größe von 10-30 µm (7B), deren Wände aus Keratinfasern bestehen (7C). Diese Wände sind ziemlich porös, und die Größe einer Pore beträgt etwa 0,5-3 µm (7D).

Wie auf dem Bild zu sehen ist, reißt die Kutikula entlang der Bruchstelle ohne Unterstützung durch die faserige Rinde auf, und die Fasern dehnen sich an einigen Stellen aus. Eine solche Haarstruktur ist notwendig, damit das Haar aufrechter steht, was die Größe des Tieres optisch vergrößert, was ein Schutzmechanismus des Pekaris sein kann. Die Haare des Pekaris sind relativ gut gegen Kompression gefeit, kommen aber mit Dehnung nicht gut zurecht. 7ANachdem sich die Wissenschaftler mit den strukturellen Besonderheiten der Haare verschiedener Tiere und deren Typen von Schäden durch Dehnung beschäftigt hatten, begannen sie mit der Beschreibung der mechanischen Eigenschaften.

Bild Nr. 8: Deformationsdiagramm für jede der Haararten und Schema des Versuchsaufbaus zur Datenerhebung (Deformationsgeschwindigkeit 10^-2 s^-1).

Wie aus dem obigen Diagramm ersichtlich, war die Reaktion auf Dehnung bei den Haaren verschiedener Tierarten ziemlich unterschiedlich. So zeigten die Haare von Mensch, Pferd, Wildschwein und Bär eine Reaktion, die der Wolle ähnlich war (nicht von jemandem, sondern von textilem Material).

Bei einem relativ hohen Elastizitätsmodul von 3,5–5 GPa bestehen die Kurven aus einem linearen (elastischen) Bereich, gefolgt von einem Plateau mit langsam ansteigendem Stress bis zu einer Deformation von 0,20–0,25, nach dem die Festigkeit erheblich zunimmt bis zur Deformationsreissgrenze von 0,40. Der Plateaubereich bezieht sich auf das Entspannen.

Bei relativ hohen Elastizitätsmodulen von 3,5–5 GPa bestehen die Kurven aus einem linearen (elastischen) Bereich, gefolgt von einem Plateau mit langsam steigendem Stress bis zur Deformation von 0,20–0,25, nach dem die Festigkeitssteigerung bis zur Zerfallsdeformation bei 0,40 erheblich ansteigt. Der Plateaubereich bezieht sich auf das Abrollen. a-spiraligen Struktur von Keratin-Intermediate-Fasern, die in einigen Fällen (teilweise) umgewandelt werden können in b-Blätter (flache Strukturen). Eine vollständige Entwirrung führt zu einer Deformation von 1.31, was deutlich höher ist als am Ende dieser Phase (0.20–0.25).

Der kristalline fadenförmige Teil der Struktur ist von einer amorphen Matrix umgeben, die sich nicht transformiert. Der amorphe Teil macht etwa 55 % des Gesamtvolumens aus, jedoch nur unter der Bedingung, dass der Durchmesser der Intermediate-Fasern 7 nm beträgt und dass sie durch amorphes Material auf 2 nm getrennt sind. Solche genauen Werte wurden in früheren Studien ermittelt.

In der deformierten Phase, die durch Verfestigung gekennzeichnet ist, tritt ein Gleiten zwischen den kortikalen Fasern sowie zwischen kleineren Strukturelementen wie Mikrofasern, Intermediate-Fasern und der amorphen Matrix auf.

Das Haar von Giraffen, Elefanten und Pekaris zeigt eine relativ lineare Reaktion auf die Verfestigung ohne klare Unterscheidung zwischen Plateau und Bereichen schneller Verfestigung (Spitzen). Das Elastizitätsmodul ist relativ niedrig und beträgt etwa 2 GPa.

Im Gegensatz zu anderen Arten zeigt das Haar der Kapibara eine Reaktion, die durch schnelle Verfestigung gekennzeichnet ist, auf die aufeinanderfolgende Spannungen wirken. Diese Beobachtung ist mit der ungewöhnlichen Struktur des Kapibarahaars verbunden, genauer gesagt mit der Anwesenheit von zwei symmetrischen Teilen und einer länglichen Furche zwischen ihnen.

Frühere Studien haben gezeigt, dass der Young-Modul (Längsdehnmodul) mit zunehmendem Durchmesser des Haares bei verschiedenen Tierarten abnimmt. In diesen Arbeiten wurde festgestellt, dass der Young-Modul bei Pekaris deutlich niedriger ist als bei anderen Tieren, was mit der Porosität der Haarstruktur zusammenhängen könnte.

Interessant ist auch, dass Pekaris sowohl schwarze als auch weiße Bereiche im Haar aufweisen (Zweifarbigkeit). Risse bei der Dehnung treten am häufigsten genau im weißen Bereich des Haares auf. Die erhöhte Widerstandsfähigkeit des schwarzen Bereichs wird durch das Vorhandensein von Melanosomen erklärt, die ausschließlich in schwarzen Haaren vorkommen.

All diese Beobachtungen sind in der Tat einzigartig, aber die Hauptfrage bleibt – spielen die Abmessungen des Haares eine Rolle für seine Festigkeit?

Wenn man die Haare von Säugetieren beschreibt, können einige grundlegende Fakten hervorgehoben werden, die den Forschern bekannt sind:

• Bei den meisten Arten sind die Haare in der Mitte dicker und verjüngen sich zum Ende hin; das Fell von Wildtieren ist aufgrund ihres Lebensraums dicker;
• Änderungen im Durchmesser der Haare einer Art zeigen, dass die Dicke der meisten Haare innerhalb eines allgemeinen Bereichs der Dicke für diese Tierart variiert. Die Dicke der Haare kann bei verschiedenen Vertretern einer Art unterschiedlich sein, obgleich bisher unbekannt ist, was diese Unterschiede beeinflusst;
• Verschiedene Arten von Säugetieren haben unterschiedliche Haarstärken (so banal es auch erscheinen mag).

Durch die Zusammenfassung dieser allgemein zugänglichen Fakten und der im Verlauf von Experimenten gewonnenen Daten konnten die Wissenschaftler alle Ergebnisse vergleichen, um Abhängigkeiten zwischen Haarstärke und -festigkeit zu entwickeln.

Abbildung Nr. 9: Beziehung zwischen Haarstärke und -festigkeit bei verschiedenen Tierarten.

Wegen der Unterschiede im Durchmesser und der Dehnbarkeit der Haare beschlossen die Wissenschaftler zu untersuchen, ob man deren Bruchspannungen basierend auf der Weibull-Statistik vorhersagen kann, die spezifisch die Unterschiede in der Probengröße und der resultierenden Defektgröße berücksichtigen kann.

Es wird angenommen, dass das Segment eines Haares mit dem Volumen V aus n Volumenelementen besteht, wobei jedes einzelne Volumen V0 eine ähnliche Fehlerverteilung aufweist. Unter der Annahme des schwächsten Glieds kann bei einem gegebenen Spannungsniveau σ die Wahrscheinlichkeit P der Integrität dieses Haarsegments mit dem Volumen V als Produkt der zusätzlichen Wahrscheinlichkeiten für die Integrität jedes der Volumenelemente ausgedrückt werden, nämlich:

P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n

wobei das Volumen V n Volumenelemente enthält V0. Bei zunehmender Spannung P(V) verringert sich natürlich.

Unter Verwendung der zweiparametrischen Weibull-Verteilung kann die Wahrscheinlichkeit des Versagens des gesamten Volumens wie folgt ausgedrückt werden:

1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]

wo σ — angelegte Spannung, σ0 — charakteristische (Referenz-)Festigkeit, und m — Weibull-Modul, der ein Maß für die Variabilität der Eigenschaften ist. Es ist zu beachten, dass die Wahrscheinlichkeit des Versagens mit dem Anstieg der Stichprobengröße zunimmt V bei konstanter Spannung σ.

Im Diagramm 9A Die Verteilung der Weibull-Experimentaldaten für die zerreißenden Spannungen von menschlichem Haar und dem Haar der Wasserschweine wird dargestellt. Die Kurven für andere Arten wurden mit Formel Nr. 2 unter Verwendung desselben Wertes von m wie für menschliches Haar vorhergesagt (m = 0.11).

Die durchschnittlichen Durchmesser waren: Wildschwein — 235 μm, Pferd — 200 μm, Pekari — 300 μm, Bär — 70 μm, Elefantenhaar — 345 μm und Giraffe — 370 μm.

Ausgehend von der Tatsache, dass die zerreißende Spannung bestimmt werden kann bei P(V) = 0,5 zeigen diese Ergebnisse, dass die zerreißende Spannung mit zunehmendem Durchmesser des Haares bei verschiedenen Arten abnimmt.

Im Diagramm 9В die prognostizierten Bruchspannungen bei 50 % Wahrscheinlichkeit des Versagens (P(V) = 0,5) und die durchschnittliche experimentelle Bruchspannung für verschiedene Arten.

Es wird klar, dass bei einer Erhöhung des Durchmessers des Haares von 100 auf 350 mm die zerreißende Spannung von 200–250 MPa auf 125–150 MPa abnimmt. Die Ergebnisse der Weibull-Verteilung stimmen hervorragend mit den Ergebnissen der tatsächlichen Beobachtungen überein. Die einzige Ausnahme bilden die Haare der Pekaris, da diese extrem porös sind. Die tatsächliche Festigkeit des Pekari-Haares ist geringer als das durch die Weibull-Verteilung simulierte.

Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler und Zusatzmaterial dazu.

Epilog

Die Hauptschlussfolgerung aus den oben beschriebenen Beobachtungen ist, dass dickes Haar nicht gleichbedeutend mit Festigkeit ist. Allerdings ist, wie die Wissenschaftler selbst sagen, diese Aussage kein Jahrhundertfund, da ähnliche Beobachtungen auch bei der Untersuchung von Metalldrähten gemacht wurden. Hierbei geht es nicht einmal um Physik, Mechanik oder Biologie, sondern um Statistik – je größer der Gegenstand, desto mehr Raum gibt es für Defekte.

Wissenschaftler glauben, dass die heutige Betrachtung den Kollegen helfen wird, neue synthetische Materialien zu schaffen. Das Hauptproblem besteht darin, dass trotz der fortgeschrittenen modernen Technologien diese noch nicht in der Lage sind, etwas Ähnliches wie menschliches oder Elefantenhaar zu erzeugen. Denn etwas so Kleines zu schaffen, ist bereits eine Herausforderung, ganz zu schweigen von seiner komplexen Struktur.

Wie wir sehen, hat diese Studie gezeigt, dass nicht nur Spinnenseide der Aufmerksamkeit der Wissenschaftler als Inspiration für zukünftige ultrastarke und ultraleichte Materialien würdig ist, sondern auch menschliches Haar mit seinen mechanischen Eigenschaften und erstaunlichen Festigkeiten überraschen kann.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und eine schöne Arbeitswoche euch allen, Leute. 🙂

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Quelle: habr.com