Wessen Haarstruktur ist robuster: Morphologie der Haare?

Haare sind für den modernen Menschen nicht mehr als ein Element der visuellen Selbstidentität, ein Teil seines Images und seiner Ausstrahlung. Dennoch erfüllen diese hornartigen Strukturen der Haut einige wichtige biologische Funktionen: Schutz, Thermoregulation, Tastsinn usw. Wie stark sind unsere Haare wirklich? Es hat sich herausgestellt, dass sie um ein Vielfaches stärker sind als die Haare von Elefanten oder Giraffen.

Heute werden wir uns mit einer Studie vertrautmachen, in der Wissenschaftler der University of California (USA) untersucht haben, wie die Haarstärke und die Dicke der Haare bei verschiedenen Tierarten, einschließlich des Menschen, korrelieren. Wessen Haare sind am stärksten, welche mechanischen Eigenschaften haben die Haare der verschiedenen Arten und wie kann diese Forschung bei der Entwicklung neuer Materialien helfen? Darüber werden wir im Bericht der Wissenschaftler erfahren. Lassen Sie uns beginnen.

Grundlage der Forschung

Haare bestehen hauptsächlich aus dem Protein Keratin und sind hornartige Strukturen der Haut von Säugetieren. Tatsächlich sind Haare, Fell und Pelz Synonyme. In ihrer Struktur bestehen Haare aus übereinander gestapelten Keratinplatten, ähnlich wie umgefallene Dominosteine. Jedes Haar hat drei Schichten: die Kuticula – die äußere und schützende Schicht; den Kortex – das zelluläre Gewebe, das aus langen toten Zellen besteht (wichtig für die Festigkeit und Elastizität des Haares, bestimmt seine Farbe durch Melanin) und das Mark – die zentrale Schicht des Haares, die aus weichen Keratinzellen und Lufttaschen besteht und an der Nährstoffübertragung zu anderen Schichten beteiligt ist.

Wenn man ein Haar vertikal teilt, erhält man den oberflächlichen Bereich (Schaft) und den unterirdischen (Zwiebel oder Wurzel). Die Zwiebel wird von einem Follikel umgeben, dessen Form auch die Form des Haares beeinflusst: ein runder Follikel – glatt, ein ovaler Follikel – leicht gewellt, ein nierenförmiger Follikel – lockig.

Viele Wissenschaftler sind der Meinung, dass sich die Evolution des Menschen aufgrund des technologischen Fortschritts verändert. Das bedeutet, dass einige Organe und Strukturen in unserem Körper allmählich rudimentär werden – also solche, die ihre ursprüngliche Funktion verloren haben. Zu diesen Körperteilen zählen Weisheitszähne, der Blinddarm und der Körperbehaarung. Mit anderen Worten, Wissenschaftler glauben, dass diese Strukturen im Laufe der Zeit einfach aus unserer Anatomie verschwinden werden. Ob das tatsächlich so ist, lässt sich schwer sagen, doch für viele Menschen sind Weisheitszähne beispielsweise mit einem Zahnarztbesuch verbunden, der ihre unumgängliche Entfernung zur Folge hat.

Unabhängig von allem sind Haare für den Menschen wichtig. Auch wenn sie möglicherweise nicht mehr eine so zentrale Rolle in der Thermoregulation spielen, bleiben sie in der Ästhetik nach wie vor unverzichtbar. Das Gleiche gilt für die Weltkultur. In vielen Ländern wurden Haare seit jeher als Quelle aller Kraft angesehen, und ihr Schneiden wurde mit möglichen Gesundheitsproblemen und sogar Lebensunglücken in Verbindung gebracht. Die sakrale Bedeutung von Haaren hat ihren Weg von schamanischen Ritualen antiker Stämme zu moderneren Religionen, den Werken von Schriftstellern, Künstlern und Bildhauern gefunden. Insbesondere war die weibliche Schönheit oft eng mit dem Aussehen oder der Darstellung (zum Beispiel in Gemälden) der Haare hübscher Damen verbunden.

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

Lassen Sie den kulturellen und ästhetischen Aspekt der Haare beiseite und wenden wir uns der Untersuchung von Wissenschaftlern zu.

Haare, in irgendeiner Form, sind bei vielen Säugetierarten vorhanden. Während sie für den Menschen biologisch betrachtet nicht mehr so wichtig sind, sind Fell und Haut für viele andere Tiere lebenswichtige Attribute. Interessanterweise sind die grundlegenden Strukturen der menschlichen Haare und die von Elefanten sehr ähnlich, auch wenn es Unterschiede gibt. Das offensichtlichste davon ist die Größe, denn das Haar eines Elefanten ist viel dicker als unseres, aber wie sich herausstellte, nicht robuster.

Wissenschaftler beschäftigen sich schon seit geraumer Zeit mit Haaren und Fell. Die Ergebnisse dieser Forschungen fanden ihren Weg in die Kosmetik, Medizin und auch die Textilindustrie. Wie die bekannte Kalugina L.P. sagen würde: „leichte Industrie“. Darüber hinaus hat die Haarforschung erheblich zur Entwicklung von Biomaterialien auf Keratinbasis beigetragen, das bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts aus den Hörnern von Tieren unter Verwendung von Kalk gewonnen wurde.

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 Haaren sowie aus menschlichem Haar zu gewinnen. Verbindungen, die auf Keratin basieren, fanden Anwendung in der Kosmetik, in Verbundwerkstoffen und sogar als Überzug für Tabletten.

Heutzutage entwickelt sich die Branche für die Erforschung und Herstellung von robusten und leichten Materialien rasant. Haare, die von Natur aus solche Materialien sind, inspirieren zu dieser Art von Forschung. Die Zugfestigkeit von Wolle und menschlichem Haar liegt zwischen 200 und 260 MPa, was einer spezifischen Festigkeit von 150-200 MPa / mg m-3 entspricht. Das ist praktisch vergleichbar mit Stahl (250 MPa / mg m-3).

Die mechanischen Eigenschaften des Haares werden maßgeblich durch seine hierarchische Struktur, die an Matrjoschkas erinnert, geprägt. Ein entscheidendes Element dieser Struktur ist der innere Kortex aus kortikalen Zellen (durchschnittlicher Durchmesser von etwa 5 µm und Länge von 100 µm), die aus gruppierten Makrofibrillen (Durchmesser von etwa 0,2–0,4 µm) bestehen. Diese wiederum setzen sich aus intermediären Filamenten (Durchmesser von 7,5 nm) zusammen, die in eine amorphe Matrix eingebettet sind.

Die mechanischen Eigenschaften der Haare, ihre Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Deformation sind direkte Ergebnisse der Wechselwirkung zwischen den amorphen und kristallinen Komponenten des Kortex. Keratinfasern des menschlichen Haar-Kortex haben in der Regel eine hohe Dehnbarkeit, wobei die Deformation bis zum Bruch über 40 % beträgt.

Dieser hohe Wert ist auf die Entrollung der Struktur zurückzuführen. Über 40.000 Kunden in mehr als 120 Ländern-Keratin und in einigen Fällen auf seine Umwandlung in b-Keratin, was zu einer Verlängerung führt (eine vollständige Drehung der Spirale von 0,52 nm wird bis auf 1,2 nm in der Konfiguration gedehnt). b). Dies ist einer der Hauptgründe, warum viele Forschungen sich auf Keratin konzentriert haben, um es in synthetischer Form nachzubilden. Die äußere Schicht des Haares (Follikel), wie bereits bekannt, besteht aus Schuppen (0,3–0,5 μm dick und 40–60 μm lang).

Früher haben Wissenschaftler bereits die mechanischen Eigenschaften von Haaren aus verschiedenen Alters- und Ethniengruppen untersucht. In dieser Studie lag der Schwerpunkt jedoch auf den Unterschieden in den mechanischen Eigenschaften von Haaren verschiedener Tierarten, nämlich: Mensch, Pferd, Bär, Wildschwein, Capybara, Pekari, Giraffe und Elefant.

Die Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1: Morphologie menschlichen Haares (A — Follikel; In — Bruch des Kortex; zeigt die Enden der Fasern, E — Bruchfläche, die drei Schichten sichtbar macht; OS-Angriffen — laterale Oberfläche des Kortex, zeigt die Dehnung der Faser).

Das Haar eines erwachsenen Menschen hat einen Durchmesser von etwa 80-100 μm. Bei normaler Haarpflege ist ihr äußeres Erscheinungsbild recht intakt (1A). Der innere Bestandteil des menschlichen Haares ist der faserige Kortex. Nach dem Zugtest wurde festgestellt, dass die Kutikula und der Kortex des menschlichen Haares unterschiedlich brachen: Die Kutikula brach normalerweise abrasiv (zerfiel), während die Keratinfasern im Kortex abgelöst und aus der Gesamtstruktur herausgezogen wurden (1V).

Auf dem Bild 1C die zerbrechliche Oberfläche der Kutikula ist deutlich sichtbar, mit Visualisierung der Schichten, die sich überlappen und eine Dicke von 350–400 nm aufweisen. Die beobachtete Schichtung an der Bruchoberfläche sowie die zerbrechliche Natur dieser Oberfläche zeigen eine schwache interphasische Verbindung zwischen der Kutikula und dem Kortex sowie zwischen den Fasern im Inneren des Kortex an.

Die Keratinfasern im Kortex wurden geschichtet (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, einige Plättchen davon sind aufgrund mangelnder Pflege leicht abgewinkelt; In — Erscheinungsbild des Bruchs; E — Details des Kortexbruchs, bei dem die abgerissene Kutikula sichtbar ist; OS-Angriffen — Details der Kutikula).

Die Struktur von Pferdehaaren ähnelt der von menschlichen Haaren, mit dem Unterschied, dass der Durchmesser um 50 % größer ist (150 µm). Auf dem Bild 2A sind deutliche Schäden an der Kutikula zu erkennen, bei denen viele Platten nicht so eng mit dem Schaft verbunden sind, wie es bei menschlichem Haar der Fall war. Der Bruchstelle des Pferdehaars weist sowohl einen herkömmlichen Bruch als auch einen Haarabriss (Schichtenablösung der Kutikula) auf. Auf 2B sind beide Varianten der Beschädigungen sichtbar. In Bereichen, in denen die Platten vollständig abgerissen sind, ist die Schnittstelle zwischen Kutikula und Kortex sichtbar (2C). Mehrere Fasern wurden herausgerissen und erlitten eine Ablösung im Bereich der Schnittstelle. Der Vergleich dieser Beobachtungen mit früheren (menschlichem Haar) zeigt, dass die Haarsträhnen von Pferden nicht denselben hohen Spannungen ausgesetzt waren wie menschliches Haar, als die Fasern im Kortex gezogen und vollständig von der Kutikula abgelöst wurden. Es ist auch zu erkennen, dass einige Platten sich vom Schaft gelöst haben, was mit Zugspannungen in Verbindung stehen könnte (2D).

Bild Nr. 3: Morphologie von Bärenhaar (A — Follikel; In — Schäden an zwei Punkten, die mit dem Bereich des Bruchs verbunden sind; E — Aufspaltung der Nagelhaut mit Schichtung der Fasern im Kortex; OS-Angriffen — Details der Faserstruktur, einige verlängerte Fasern sind aus der Gesamtstruktur sichtbar).

Die Dicke von Bärenhaar beträgt 80 µm. Die Schichten der Nagelhaut sind extrem dicht miteinander verbunden (3A), und an einigen Stellen ist es sogar schwierig, einzelne Schichten zu unterscheiden. Dies kann mit der Reibung der Haare an benachbarten Haaren zusammenhängen. Bei Zugstress spalteten sich diese Haare buchstäblich mit dem Auftreten langer Risse (Einfügung in 3B), was darauf hindeutet, dass bei geringer Bindungswirkung der beschädigten Nagelhaut die Keratinfasern im Kortex leicht geschichtet wurden. Die Schichtung des Kortex führt zu Rissen in der Nagelhaut, was durch das gezackte Muster des Bruchs bestätigt wird (3C). Dieser Stress führt zum Herausziehen einiger Fasern aus dem Kortex (3D).

Abbildung Nr. 4: Morphologie des Haars von Wildschweinen (A — gewöhnlicher flacher Haarbruch; In — die Struktur der Nagelhaut zeigt einen schlechten Integritätszustand (Gruppierung) der Schichten; E — Details des Risses an der Schnittstelle zwischen Nagelhaut und Kortex; OS-Angriffen — aus der Gesamtmasse herausgezogene Fasern und hervorstehende Fibrillen).

Die Borstenhaare von Wildschweinen sind relativ dick (230 mm), insbesondere im Vergleich zu denen von Bären. Der Bruch eines Wildschweinhaars bei Beschädigung ist deutlich sichtbar (4А) im rechten Winkel zur Richtung der Spannung während der Zugbelastung.

Relativ kleine freiliegende Schichten der Cuticula wurden aufgrund der Dehnung ihrer Ränder vom Hauptkörper des Haars abgerissen (4B).

An der Oberfläche der Bruchzone ist deutlich eine Delaminierung der Fasern zu erkennen, zudem sieht man, dass sie sehr fest im Inneren des Kortex miteinander verbunden waren (4С). Nur die Fasern an der Schnittstelle zwischen Kortex und Cuticula wurden durch die Trennung freigelegt (4D), wodurch das Vorhandensein von dicken Kortex-Fibrillen (250 nm im Durchmesser) sichtbar wurde. Einige dieser Fibrillen traten aufgrund der Verformung leicht hervor. Es wird angenommen, dass sie zur Verstärkung der Wildschweinhaare dienen.

Bild Nr. 5: Morphologie der Haare von Elefanten (A — E) und Giraffen (OS-Angriffen — F). A — Follikel; In — stufenförmiger Haarbruch; E — Hohlräume innerhalb der Haare deuten darauf hin, wo die Fasern herausgerissen wurden. OS-Angriffen — cuticuläre Schichten; E — glatter Haarbruch; F — Fasern, die an der Oberfläche im Bereich des Bruchs herausgerissen wurden.

Die Haare eines Elefanten können etwa 330 Mikrometer dick sein und bei Erwachsenen bis zu 1,5 Millimeter erreichen. Die Schuppen auf der Oberfläche sind schwer zu unterscheiden (5A). Das Haar des Elefanten neigt ebenfalls zu normalem Versagen, d.h. zu einem sauberen Bruch unter Spannung. Die Morphologie der Bruchoberfläche zeigt dabei ein gestuftes Erscheinungsbild (5B), möglicherweise verursacht durch das Vorhandensein kleiner Defekte im Kortex des Haares. Auf der Bruchfläche sind auch einige kleine Löcher zu sehen, wo vorher wahrscheinlich verstärkende Fibrillen lagen (5C).

Die Haare eines Giraffen sind ebenfalls recht dick (370 Mikrometer), obwohl die Anordnung der Schuppen nicht so klar ist (5D). Man nimmt an, dass dies mit Beschädigungen durch verschiedene Umwelteinflüsse (zum Beispiel Reibung an Bäumen während der Futteraufnahme) zusammenhängt. Trotz der Unterschiede war der Haarbruch bei Giraffen dem bei Elefanten ähnlich (5F).

Bild Nr. 6: Morphologie des Haares eines Capybaras (A — doppelte kutikuläre Struktur der Schuppen; In — Bruch der doppelten Struktur; E — Fasern in der Nähe der Bruchgrenze erscheinen zerbrechlich und spröde; OS-Angriffen — gestreckte Fasern aus dem Bereich der Bruchfläche der doppelten Struktur).

Die Haare von Wasserschweinen und Pekaris unterscheiden sich von allen anderen untersuchten Haaren. Bei der Wasserschweinen ist das Hauptmerkmal die doppelte Anordnung der Kutikula und die ovale Form der Haare (6A). Der Spalt zwischen den beiden spiegelbildlichen Teilen des Haares ist notwendig, um Wasser schneller von dem Fell des Tieres abzuleiten und für eine bessere Belüftung zu sorgen, was ein schnelleres Trocknen ermöglicht. Bei Dehnung teilt sich das Haar entlang des Spalts in zwei Teile, und jeder dieser Teile wird zerstört (6B). Viele Fasern der Kortex schälen sich ab und dehnen sich aus (6C und 6D).

Abbildung Nr. 7: Morphologie des Pekari-Haares (A — Struktur der Kutikula und Bruchstelle; In — Morphologie der Zerstörung des Kortex und Details seiner Struktur; E — geschlossene Zellen (20 µm Durchmesser), deren Wände aus Fasern bestehen; OS-Angriffen — Wände der Zellen).

Bei Pekaris (Familie Tayassuidae, d.h. die Pekari-Familie) haben die Haare einen porösen Kortex, und die Kutikulalschicht weist keine klaren Platten auf (7A). Der Kortex des Haares enthält geschlossene Zellen mit einer Größe von 10-30 µm (7B), deren Wände aus Keratinfasern bestehen (7C). Diese Wände sind ausreichend porös, und die Größe einer Pore beträgt etwa 0,5-3 µm (7D).

Wie auf dem Bild zu sehen ist 7A, ohne Unterstützung des faserigen Kortex reißt das Kutikula an der Bruchlinie, und die Fasern werden an einigen Stellen gedehnt. Eine solche Haarstruktur ist notwendig, damit die Haare aufrechter stehen und die Größe des Tieres visuell vergrößern, was ein Schutzmechanismus für das Wombat sein kann. Die Haare von Wombats widerstehen Kompression recht gut, haben jedoch Schwierigkeiten mit Dehnung.

Nachdem sie die strukturellen Merkmale der Haare verschiedener Tiere sowie deren Schadensarten durch Dehnung untersucht hatten, begannen die Wissenschaftler mit der Beschreibung der mechanischen Eigenschaften.

Bild Nr. 8: Deformationsdiagramm für jeden Haartyp und Schema der experimentellen Anordnung zur Datenerhebung (Deformationsgeschwindigkeit 10-2 s-1).

Wie aus dem obigen Diagramm ersichtlich ist, war die Reaktion auf Dehnung bei den Haaren verschiedener Tierarten ziemlich unterschiedlich. So zeigten die Haare von Menschen, Pferden, Wildschweinen und Bären eine Reaktion, die der von Wolle (nicht von einer spezifischen, sondern von einem Textilmaterial) ähnlich war.

Bei einem relativ hohen Elastizitätsmodul von 3,5-5 GPa bestehen die Kurven aus einem linearen (elastischen) Bereich, gefolgt von einem Plateau, in dem die Spannung langsam bis zur Deformation von 0,20-0,25 ansteigt, wonach die Festigkeitssteigerung signifikant bis zur Bruchdeformation von 0,40 zunimmt. Der Plateau-Bereich bezieht sich auf die Entfaltung Über 40.000 Kunden in mehr als 120 Ländern-spiraliger Strukturen von Keratin-Intermediatefilamenten, die in einigen Fällen (teilweise) in b-Blätter (flache Strukturen) überführt werden können. Eine vollständige Entfaltung führt jedoch 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 Intermediatefilamente 7 nm beträgt und dass sie durch amorphes Material mit 2 nm getrennt sind. Solche präzisen Werte wurden in früheren Studien abgeleitet.

In der Deformationsstufe, die durch Verfestigung gekennzeichnet ist, findet eine Gleiten zwischen den kortikalen Fasern sowie zwischen kleineren strukturellen Elementen wie Mikrofasern, Zwischenfäden und amorpher Matrix statt.

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

Im Gegensatz zu anderen Arten zeigt das Haar von Wasserhörnchen eine Reaktion, die durch schnelle Verfestigung gekennzeichnet ist, auf die aufeinanderfolgende Spannungen wirken. Diese Beobachtung hängt mit der ungewöhnlichen Haarstruktur des Wasserhörnchens zusammen, genauer gesagt mit dem Vorhandensein von zwei symmetrischen Teilen und einer länglichen Rille zwischen ihnen.

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

Interessanterweise weisen die Haare des Bäckers sowohl schwarze als auch weiße Bereiche auf (zweifarbige Merkmale). Die Risse beim Dehnen treten hauptsächlich in dem weißen Bereich des Haars auf. Die erhöhte Festigkeit des schwarzen Bereichs ist durch das Vorhandensein von Melanosomen erklärt, die ausschließlich in schwarzen Haaren vorkommen.

All diese Beobachtungen sind in der Tat einzigartig, doch bleibt die zentrale Frage: Haben die Dimensionen des Haares Einfluss auf seine Festigkeit?

Wenn man die Haare von Säugetieren beschreibt, lassen sich die grundlegenden Fakten hervorheben, die den Forschern bekannt sind:

• Bei den meisten Arten sind die Haare in der Mitte dicker und verjüngen sich zur Spitze; das Fell von Wildtieren ist aufgrund ihres Lebensraums dicker;
• Die Veränderungen im Durchmesser der Haare einer Art zeigen, dass die Dicke der meisten Haare innerhalb eines allgemeinen Bereichs variiert, der für diese Tierart charakteristisch ist. Die Dicke der Haare kann zwischen verschiedenen Vertretern einer Art variieren, jedoch ist bislang unklar, was diese Unterschiede beeinflusst;
• Bei verschiedenen Arten von Säugetieren gibt es unterschiedliche Haarstärken (so banal das auch klingen mag).

Zusammenfassend konnten die Wissenschaftler aus diesen öffentlichen Fakten und den im Rahmen der Experimente gesammelten Daten alle Ergebnisse vergleichen, um die Zusammenhänge zwischen der Haardicke und seiner Festigkeit zu formulieren.

Bild Nr. 9: Verhältnis der Haardicke und seiner Festigkeit bei verschiedenen Tierarten.

Aufgrund der Unterschiede im Durchmesser und der Dehnbarkeit der Haare entschlossen sich die Forscher zu klären, ob die Bruchspannungen durch die Weibull-Statistik vorhergesagt werden können, die speziell die Unterschiede in der Probengröße und der resultierenden Defektgröße berücksichtigen kann.

Es wird angenommen, dass der Haarabschnitt mit dem Volumen inhalte und den eigentlichen Inhalt aus n Volumenelementen besteht, wobei jedes einzelne Volumen V0 eine ähnliche Verteilung von Defekten aufweist. Basierend auf der Annahme des schwächsten Links kann bei einem bestimmten Spannungsniveau σ die Wahrscheinlichkeit P der Integrität dieses Haarabschnitts mit dem Volumen inhalte und den eigentlichen Inhalt als Produkt der zusätzlichen Wahrscheinlichkeiten für die Integrität jedes der Volumenelemente ausgedrückt werden, nämlich:

P(inhalte und den eigentlichen Inhalt) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n

wobei das Volumen inhalte und den eigentlichen Inhalt n Volumenelemente enthält V0. Mit steigender Spannung P(inhalte und den eigentlichen Inhalt) sinkt es natürlicherweise.

Mit der zweiparametrigen Weibull-Verteilung kann die Wahrscheinlichkeit des Versagens des gesamten Volumens wie folgt ausgedrückt werden:

1 — P = 1 — exp [ —inhalte und den eigentlichen Inhalt/V0 · (σ/σ0)m]

wobei σ — aufgebrachte Spannung, σ0 — charakteristische (Referenz-)Festigkeit, und m — Weibull-Parameter, der ein Maß für die Variabilität der Eigenschaften ist. Es ist anzumerken, dass die Wahrscheinlichkeit des Versagens mit zunehmendem Stichprobenvolumen steigt inhalte und den eigentlichen Inhalt bei konstanter Spannung σ.

Im Diagramm 9A zeigt die Weibull-Verteilung der experimentellen Zerreißspannungen für Menschenhaare und Pekaris. Die Kurven für andere Arten wurden mit Hilfe der Formel Nr. 2 unter Verwendung des gleichen Wertes von m, wie für Menschenhaare, vorhergesagt (m = 0.11).

Als durchschnittlicher Durchmesser wurden verwendet: Wildschwein — 235 µm, Pferd — 200 µm, Pekari — 300 µm, Bär — 70 µm, Elefantenhaar — 345 µm und Giraffe — 370 µm.

Da die Zerreißspannung bei P(inhalte und den eigentlichen Inhalt) = 0,5 definiert werden kann, zeigen diese Ergebnisse, dass die Zerreißspannung mit zunehmendem Durchmesser der Haare bei verschiedenen Arten abnimmt.

Im Diagramm 9B zeigen die prognostizierten Bruchspannungen bei 50% Wahrscheinlichkeit des Versagens (P(inhalte und den eigentlichen Inhalt) = 0,5) und die durchschnittliche experimentelle Bruchspannung für verschiedene Typen.

Es wird deutlich, dass sich mit zunehmendem Durchmesser der Haare von 100 auf 350 mm die Bruchspannung von 200–250 MPa auf 125–150 MPa verringert. Die Simulationsergebnisse zur Weibull-Verteilung stimmen hervorragend mit den tatsächlichen Beobachtungen überein. Eine Ausnahme bilden die Bäckerhaare, da sie extrem porös sind. Die tatsächliche Festigkeit von Bäckerhaaren ist geringer als durch die Simulation zur Weibull-Verteilung angezeigt.

Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler und Zusätzliche Materialien dazu.

Epilog

Die Hauptschlussfolgerung aus den oben beschriebenen Beobachtungen ist, dass dicke Haare nicht gleichbedeutend mit starken Haaren sind. Tatsächlich, wie die Wissenschaftler selbst sagen, ist diese Aussage kein Jahrtausendergebnis, da ähnliche Beobachtungen auch bei der Untersuchung von Draht gemacht wurden. Hier geht es weniger um Physik, Mechanik oder Biologie, sondern um Statistik — je größer das Objekt, desto mehr Raum gibt es für Fehler.

Wissenschaftler glauben, dass die heute besprochene Arbeit ihren Kollegen helfen wird, neue synthetische Materialien zu schaffen. Das Hauptproblem besteht darin, dass trotz der fortgeschrittenen modernen Technologien noch keine in der Lage sind, etwas derart Komplexes wie menschliches oder Elefantenhaar zu erzeugen. Schließlich ist es already eine Herausforderung, etwas so Kleines zu schaffen, ganz zu schweigen von seiner komplexen Struktur.

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Bleiben Sie neugierig und haben Sie eine erfolgreiche Arbeitswoche, alle zusammen. 🙂

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Quelle: habr.com