Haare sind für einen modernen Menschen nichts anderes als ein Element der visuellen Selbstidentifikation, Teil des Bildes und Bildes. Trotzdem haben diese Hornformationen der Haut mehrere wichtige biologische Funktionen: Schutz, Thermoregulation, Berührung usw. Wie stark sind unsere Haare? Wie sich herausstellte, sind sie um ein Vielfaches stärker als Elefanten- oder Giraffenhaare.
Heute lernen wir eine Studie kennen, in der Wissenschaftler der University of California (USA) beschlossen haben, zu testen, wie Haardicke und Haarstärke bei verschiedenen Tierarten, einschließlich Menschen, korrelieren. Wessen Haar ist das stärkste, welche mechanischen Eigenschaften haben verschiedene Haartypen und wie kann diese Forschung zur Entwicklung neuer Arten von Materialien beitragen? Das erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.
Forschungsgrundlage
Haare bestehen größtenteils aus dem Protein Keratin und sind die Hornformation der Säugetierhaut. Tatsächlich sind Haare, Wolle und Pelz Synonyme. Die Haarstruktur besteht aus Keratinplatten, die einander überlappen, wie Dominosteine, die aufeinander fallen. Jedes Haar besteht aus drei Schichten: Die Schuppenschicht ist die äußere und schützende Schicht; Kortex – der Kortex, bestehend aus länglichen abgestorbenen Zellen (wichtig für die Stärke und Elastizität des Haares, bestimmt durch Melanin seine Farbe) und die Medulla – die zentrale Schicht des Haares, bestehend aus weichen Keratinzellen und Lufthohlräumen an der Übertragung von Nährstoffen auf andere Schichten beteiligt.
Wenn das Haar vertikal geteilt wird, erhalten wir einen Unterhautabschnitt (Schaft) und einen Unterhautabschnitt (Zwiebel oder Wurzel). Die Zwiebel ist von einem Follikel umgeben, dessen Form die Form des Haares selbst bestimmt: Ein runder Follikel ist gerade, ein ovaler Follikel ist leicht gelockt, ein nierenförmiger Follikel ist lockig.
Viele Wissenschaftler vermuten, dass sich die menschliche Evolution aufgrund des technologischen Fortschritts verändert. Das heißt, einige Organe und Strukturen in unserem Körper werden nach und nach rudimentär – solche, die ihren eigentlichen Zweck verloren haben. Zu diesen Körperteilen gehören Weisheitszähne, Blinddarm und Körperbehaarung. Mit anderen Worten: Wissenschaftler glauben, dass diese Strukturen mit der Zeit einfach aus unserer Anatomie verschwinden werden. Ob das wahr ist oder nicht, ist schwer zu sagen, aber für viele normale Menschen sind beispielsweise Weisheitszähne mit einem Besuch beim Zahnarzt verbunden, um sie zwangsläufig entfernen zu lassen.
Wie dem auch sei, der Mensch braucht Haare; sie spielen zwar keine entscheidende Rolle mehr bei der Thermoregulation, sind aber immer noch ein wesentlicher Bestandteil der Ästhetik. Dasselbe lässt sich über die Weltkultur sagen. In vielen Ländern galten Haare seit jeher als Quelle aller Kraft, und das Schneiden dieser Haare war mit möglichen gesundheitlichen Problemen und sogar Misserfolgen im Leben verbunden. Die heilige Bedeutung von Haaren wanderte von den schamanischen Ritualen alter Stämme zu moderneren Religionen, den Werken von Schriftstellern, Künstlern und Bildhauern. Insbesondere die weibliche Schönheit hing oft eng mit der Art und Weise zusammen, wie die Haare hübscher Damen aussahen oder dargestellt wurden (z. B. in Gemälden).
Beachten Sie, wie detailliert die Haare der Venus dargestellt sind (Sandro Botticelli, „Geburt der Venus“, 1485).
Lassen wir den kulturellen und ästhetischen Aspekt der Haare beiseite und beginnen wir mit der Forschung von Wissenschaftlern.
Haare kommen in der einen oder anderen Form bei vielen Säugetierarten vor. Während sie für den Menschen aus biologischer Sicht nicht mehr so wichtig sind, sind Wolle und Fell für andere Vertreter der Tierwelt lebenswichtige Attribute. Dabei sind menschliche Haare und beispielsweise Elefantenhaare in ihrer Grundstruktur sehr ähnlich, es gibt jedoch Unterschiede. Das offensichtlichste davon sind die Abmessungen, denn Elefantenhaar ist viel dicker als unseres, aber wie sich herausstellte, nicht stärker.
Wissenschaftler beschäftigen sich schon seit geraumer Zeit mit Haaren und Wolle. Die Ergebnisse dieser Arbeiten wurden sowohl in der Kosmetik und Medizin als auch in der Leichtindustrie (oder, wie der bekannte Kalugina L.P. sagen würde: „Leichtindustrie“), oder genauer gesagt in Textilien, umgesetzt. Darüber hinaus hat die Untersuchung von Haaren wesentlich zur Entwicklung von Biomaterialien auf Keratinbasis beigetragen, die man zu Beginn des letzten Jahrhunderts mithilfe von Kalk aus Tierhörnern isolieren konnte.
Aus dem so gewonnenen Keratin wurden Gele hergestellt, die durch Zugabe von Formaldehyd verstärkt werden konnten. Später lernten sie, Keratin nicht nur aus Tierhörnern, sondern auch aus deren Fell und aus menschlichem Haar zu isolieren. Auf Keratin basierende Substanzen haben ihre Verwendung in Kosmetika, Verbundwerkstoffen und sogar in Tablettenüberzügen gefunden.
Heutzutage entwickelt sich die Branche der Erforschung und Herstellung langlebiger und leichter Materialien rasant. Haare sind von Natur aus eines der natürlichen Materialien, die diese Art von Forschung inspirieren. Betrachten Sie 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. Und das 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 Matroschka-Puppe erinnert. Das wichtigste Element dieser Struktur ist die innere Rinde kortikaler Zellen (Durchmesser etwa 5 µm und Länge 100 µm), bestehend aus gruppierten Makrofibrillen (Durchmesser etwa 0.2–0.4 µm), die wiederum aus Zwischenfilamenten (7.5 nm) bestehen im Durchmesser), eingebettet in eine amorphe Matrix.
Die mechanischen Eigenschaften des Haares, seine Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Verformung sind ein direktes Ergebnis des Zusammenspiels der amorphen und kristallinen Bestandteile der Kortikalis. Die Keratinfasern der menschlichen Haarrinde weisen typischerweise eine hohe Dehnung mit einer Zugspannung von mehr als 40 % auf.
Dieser hohe Wert ist auf die Abwicklung der Struktur zurückzuführen а-Keratin und in einigen Fällen seine Umwandlung in b-Keratin, was zu einer Längenzunahme führt (eine volle Windung einer 0.52 nm langen Helix wird in der Konfiguration auf 1.2 nm gedehnt). b). Dies ist einer der Hauptgründe, warum sich viele Studien speziell auf Keratin konzentriert haben, um es in synthetischer Form nachzubilden. Aber die äußere Haarschicht (Kutikula) besteht, wie wir bereits wissen, aus Platten (0.3–0.5 Mikrometer dick und 40–60 Mikrometer lang).
Zuvor haben Wissenschaftler bereits Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften von Haaren von Menschen unterschiedlichen Alters und verschiedener ethnischer Gruppen durchgeführt. In dieser Arbeit wurde der Schwerpunkt auf die Untersuchung der Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften der Haare verschiedener Tierarten gelegt, nämlich: Menschen, Pferde, Bären, Wildschweine, Wasserschweine, Pekari, Giraffen und Elefanten.
Ergebnisse der Studie
Bild Nr. 1: Morphologie des menschlichen Haares (А - Nagelhaut; В - Kortexfraktur; zeigt die Enden der Fasern, С — die Oberfläche der Verwerfung, wo drei Schichten sichtbar sind; D - Seitenfläche der Kortikalis, die eine Faserverlängerung zeigt).
Ein erwachsenes menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 80–100 Mikrometern. Bei normaler Haarpflege wirkt ihr Erscheinungsbild durchaus ganzheitlich (1А). Der innere Bestandteil des menschlichen Haares ist die Faserrinde. Nach Zugversuchen wurde festgestellt, dass die Nagelhaut und die Kortikalis des menschlichen Haares unterschiedlich brachen: Die Kutikula brach typischerweise abrasiv (Knülle), und die Keratinfasern in der Kortikalis wurden abgeschält und aus der Gesamtstruktur herausgezogen (1V).
Auf dem Bild 1S Die fragile Oberfläche der Kutikula ist deutlich sichtbar, wenn man die Schichten erkennt, bei denen es sich um überlappende Kutikulaplatten handelt, die eine Dicke von 350–400 nm haben. Die beobachtete Delaminierung an der Bruchoberfläche sowie die Sprödigkeit dieser Oberfläche weisen auf eine schwache Grenzflächenkommunikation zwischen Kutikula und Kortikalis sowie zwischen Fasern innerhalb der Kortikalis hin.
Keratinfasern in der Kortikalis wurden abgeblättert (1D). Dies legt nahe, dass die faserige Rinde in erster Linie für die mechanische Festigkeit des Haares verantwortlich ist.
Bild Nr. 2: Rosshaarmorphologie (А - Nagelhaut, einige Platten sind aufgrund mangelnder Pflege leicht deformiert; В - Auftreten des Bruchs; С — Einzelheiten zum Bruch der Kortikalis, wo die gerissene Kutikula sichtbar ist; D - Nagelhautdetails).
Die Struktur von Pferdehaar ähnelt dem menschlichen Haar, mit Ausnahme des Durchmessers, der um 50 % größer ist (150 Mikrometer). In dem Bild 2А Sie können deutliche Schäden an der Nagelhaut erkennen, da viele der Platten nicht so eng mit dem Schaft verbunden sind wie beim menschlichen Haar. An der Stelle eines Rosshaarbruchs gibt es sowohl einen normalen Bruch als auch einen Haarbruch (Ablösung der Schuppenschicht). An 2V Beide Schadensarten sind sichtbar. In Bereichen, in denen die Lamellen vollständig abgerissen sind, ist die Grenzfläche zwischen Kutikula und Rinde sichtbar (2S). Mehrere Fasern waren an der Grenzfläche gerissen und delaminierten. Vergleicht man diese Beobachtungen mit früheren Beobachtungen (menschliches Haar), deuten solche Fehler darauf hin, dass Pferdehaar nicht so viel Stress erfuhr wie menschliches Haar, als die Fasern in der Kortikalis herausgezogen und vollständig von der Kutikula gelöst wurden. Es ist auch zu erkennen, dass sich einige Platten vom Stab gelöst haben, was möglicherweise auf Zugspannung zurückzuführen ist (2D).
Bild Nr. 3: Morphologie der Bärenhaare (А - Nagelhaut; В — Schäden an zwei Punkten im Zusammenhang mit der Bruchstelle; С — Rissbildung der Kutikula mit Ablösung der Fasern in der Kortikalis; D - Details der Faserstruktur, mehrere längliche Fasern aus der Gesamtstruktur sind sichtbar).
Die Dicke eines Bärenhaares beträgt 80 Mikrometer. Die Nagelhautplatten sind extrem fest miteinander verbunden (3А), und in manchen Gegenden ist es sogar schwierig, einzelne Platten zu unterscheiden. Dies kann auf die Reibung der Haare an benachbarten Haaren zurückzuführen sein. Unter Zugbelastung spalten sich diese Haare regelrecht und es bilden sich lange Risse (Einschub auf 3B), was darauf hindeutet, dass sich die Keratinfasern in der Kortikalis aufgrund der schwachen Bindungswirkung der beschädigten Kutikula leicht ablösten. Die Delamination der Kortikalis führt zu einem Bruch an der Kutikula, was durch das Zickzackmuster des Bruchs erkennbar ist (3S). Diese Spannung führt dazu, dass einige Fasern aus der Kortikalis herausgezogen werden (3D).
Bild Nr. 4: Morphologie der Eberhaare (А - gewöhnlicher flacher Haarriss; В — Die Struktur der Kutikula zeigt einen schlechten Zustand der Integrität (Gruppierung) der Platten; С — Einzelheiten der Lücke an der Schnittstelle zwischen Kutikula und Kortikalis; D - aus der Gesamtmasse verlängerte Fasern und hervorstehende Fibrillen).
Wildschweinhaare sind ziemlich dick (230 mm), insbesondere im Vergleich zu Bärenhaaren. Das Ausreißen von Eberhaaren bei Beschädigung sieht recht deutlich aus (4А) senkrecht zur Richtung der Zugspannung.
Relativ kleine freiliegende Nagelhautplatten wurden aufgrund der Dehnung ihrer Ränder vom Haupthaarkörper abgerissen (4V).
Auf der Oberfläche der Zerstörungszone ist die Delaminierung der Fasern deutlich sichtbar; es ist auch klar, dass sie innerhalb der Kortikalis sehr eng miteinander verbunden waren (4S). Aufgrund der Trennung wurden nur Fasern an der Schnittstelle zwischen Kortikalis und Kutikula freigelegt (4D), was das Vorhandensein dicker kortikaler Fibrillen (250 nm Durchmesser) zeigte. Einige der Fibrillen standen aufgrund der Verformung leicht hervor. Sie sollen als Stärkungsmittel für das Haar des Ebers dienen.
Bild Nr. 5: Morphologie der Elefantenhaare (А - С) und Giraffe (D - F). А - Nagelhaut; В - schrittweiser Haarbruch; С - Hohlräume im Haar zeigen an, wo die Fasern herausgerissen wurden. D - Kutikulaplatten; Е - gleichmäßiger Haarausfall; F - Im Bruchbereich von der Oberfläche abgerissene Fasern.
Das Haar eines Elefantenbabys kann etwa 330 Mikrometer dick sein, bei einem Erwachsenen kann es eine Dicke von 1.5 mm erreichen. Die Platten auf der Oberfläche sind schwer zu unterscheiden (5А).Elefantenhaar neigt auch zum normalen Haarausfall, d.h. zum reinen Zugbruch. Darüber hinaus weist die Morphologie der Bruchfläche ein gestuftes Erscheinungsbild auf (5V), möglicherweise aufgrund geringfügiger Defekte in der Haarrinde. Einige kleine Löcher sind auch auf der Bruchoberfläche zu sehen, wo sich vor der Beschädigung wahrscheinlich verstärkende Fibrillen befanden (5S).
Das Haar der Giraffe ist ebenfalls ziemlich dick (370 Mikrometer), obwohl die Anordnung der Schuppenschicht nicht so klar ist (5D). Es wird angenommen, dass dies auf ihre Schädigung durch verschiedene Umweltfaktoren (z. B. Reibung an Bäumen beim Füttern) zurückzuführen ist. Trotz der Unterschiede ähnelte der Haarbruch der Giraffe dem des Elefanten (5F).
Bild Nr. 6: Capybara-Haarmorphologie (А - doppelte kutikuläre Struktur der Platten; В — Bruch der Doppelstruktur; С — Fasern in der Nähe der Bruchgrenze erscheinen spröde und steif; D - längliche Fasern aus der Bruchzone der Doppelstruktur).
Das Haar von Wasserschweinen und Pekaris unterscheidet sich von allen anderen untersuchten Haaren. Beim Wasserschwein besteht der Hauptunterschied im Vorhandensein einer doppelten Kutikulakonfiguration und einer ovalen Haarform (6А). Die Rille zwischen den beiden verspiegelten Haarteilen ist notwendig, um das Wasser schneller aus dem Fell des Tieres zu entfernen, sowie für eine bessere Belüftung, wodurch es schneller trocknen kann. Bei Dehnung wird das Haar entlang der Furche in zwei Teile geteilt und jeder Teil wird zerstört (6V). Viele Fasern der Kortikalis werden getrennt und gedehnt (6S и 6D).
Bild Nr. 7: Morphologie der Pekari-Haare (А - Struktur der Nagelhaut und Bruchstelle; В — Morphologie der Kortexzerstörung und Einzelheiten ihrer Struktur; С — geschlossene Zellen (20 Mikrometer Durchmesser), deren Wände aus Fasern bestehen; D - Zellwände).
Die Pekari (Familie Tayassuidae, d.h. Pekari-Haare haben eine poröse Rinde und die Kutikulaschicht weist keine ausgeprägten Platten auf (7А). Die Haarrinde enthält geschlossene Zellen mit einer Größe von 10–30 Mikrometern (7V), deren Wände aus Keratinfasern bestehen (7S). Diese Wände sind ziemlich porös und die Größe einer Pore beträgt etwa 0.5-3 Mikrometer (7D).
Wie auf dem Bild zu sehen 7АOhne die Unterstützung der faserigen Rinde reißt die Nagelhaut entlang der Bruchlinie und die Fasern werden an einigen Stellen herausgezogen. Diese Haarstruktur ist notwendig, um das Haar vertikaler zu machen und so die Größe des Tieres optisch zu vergrößern, was möglicherweise ein Abwehrmechanismus für das Pekari ist. Pekarihaar widersteht der Kompression recht gut, verträgt jedoch keine Dehnung.
Nachdem die Wissenschaftler die strukturellen Merkmale der Haare verschiedener Tiere sowie die Art der durch Spannung verursachten Schäden verstanden hatten, begannen sie, die mechanischen Eigenschaften zu beschreiben.
Bild Nr. 8: Verformungsdiagramm für jeden Haartyp und Diagramm des Versuchsaufbaus zur Datengewinnung (Dehnungsrate 10-2 s-1).
Wie aus der obigen Grafik hervorgeht, war die Reaktion auf die Dehnung der Haare bei verschiedenen Tierarten sehr unterschiedlich. So zeigten die Haare einer Person, eines Pferdes, eines Wildschweins und eines Bären eine ähnliche Reaktion wie Wolle (nicht die eines anderen, sondern ein textiles 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 zunehmender Spannung bis zu einer Dehnung von 0.20–0.25, wonach die Verfestigungsgeschwindigkeit deutlich zunimmt, bis a Versagensdehnung von 0.40. Der Plateaubereich bezieht sich auf die Entspannung а-helicale Struktur von Keratin-Zwischenfilamenten, die sich in manchen Fällen (teilweise) umwandeln können b-Blätter (flache Strukturen). Das vollständige Abwickeln führt zu einer Verformung von 1.31, was deutlich höher ist als am Ende dieser Stufe (0.20–0.25).
Der kristalline fadenförmige Teil der Struktur ist von einer amorphen Matrix umgeben, die sich nicht umwandelt. Der amorphe Teil macht etwa 55 % des Gesamtvolumens aus, allerdings nur, wenn der Durchmesser der Zwischenfilamente 7 nm beträgt und sie durch 2 nm amorphes Material getrennt sind. Solche präzisen Indikatoren wurden in früheren Studien abgeleitet.
Während der Aushärtungsphase der Verformung kommt es zum Gleiten zwischen kortikalen Fasern sowie zwischen kleineren Strukturelementen wie Mikrofibrillen, Zwischenfilamenten und der amorphen Matrix.
Giraffen-, Elefanten- und Pekarihaare zeigen eine relativ lineare Verhärtungsreaktion ohne klare Unterscheidung zwischen Plateaus und Regionen mit schneller Verhärtung (Peaks). Der Elastizitätsmodul ist relativ niedrig und beträgt etwa 2 GPa.
Im Gegensatz zu anderen Arten zeigt das Wasserschweinhaar eine Reaktion, die durch eine schnelle Verhärtung gekennzeichnet ist, wenn aufeinanderfolgende Belastungen ausgeübt werden. Diese Beobachtung hängt mit der ungewöhnlichen Struktur der Haare des Wasserschweins zusammen, genauer gesagt mit dem Vorhandensein zweier symmetrischer Teile und einer Längsrille dazwischen.
Es wurden bereits frühere Studien durchgeführt, die darauf hinweisen, dass der Elastizitätsmodul (Longitudinalmodul) bei verschiedenen Tierarten mit zunehmendem Haardurchmesser abnimmt. In diesen Arbeiten wurde festgestellt, dass der Elastizitätsmodul des Pekari deutlich niedriger ist als der anderer Tiere, was möglicherweise auf die Porosität seiner Haarstruktur zurückzuführen ist.
Es ist auch merkwürdig, dass Pekari sowohl schwarze als auch weiße Bereiche auf ihren Haaren haben (zweifarbig). Zugbrüche treten am häufigsten im weißen Bereich der Haare auf. Die erhöhte Widerstandsfähigkeit des schwarzen Bereichs ist auf das Vorhandensein von Melanosomen zurückzuführen, die ausschließlich in schwarzem Haar vorkommen.
Alle diese Beobachtungen sind wirklich einzigartig, aber die Hauptfrage bleibt: Spielen die Abmessungen der Haare eine Rolle für ihre Stärke?
Wenn wir Haare bei Säugetieren beschreiben, können wir die wichtigsten Fakten hervorheben, die den Forschern bekannt sind:
- Bei den meisten Haartypen ist es im Mittelteil dicker und verjüngt sich zum Ende hin; Das Fell wilder Tiere ist aufgrund ihres Lebensraums dicker;
- Schwankungen im Durchmesser der Haare einer Art weisen darauf hin, dass die Dicke der meisten Haare innerhalb des allgemeinen Dickenbereichs einer bestimmten Tierart schwankt. Die Dicke der Haare kann zwischen verschiedenen Vertretern derselben Art unterschiedlich sein, aber welche Auswirkungen dieser Unterschied hat, ist noch unbekannt;
- Verschiedene Säugetierarten haben unterschiedliche Haardicken (so klischeehaft das auch klingen mag).
Durch die Zusammenfassung dieser öffentlich zugänglichen Fakten und der während der Experimente gewonnenen Daten konnten Wissenschaftler alle Ergebnisse vergleichen, um Beziehungen zwischen der Haardicke und ihrer Stärke herzustellen.
Bild Nr. 9: Der Zusammenhang zwischen Haardicke und Haarstärke bei verschiedenen Tierarten.
Aufgrund der Unterschiede im Haardurchmesser und der Dehnbarkeit beschlossen die Wissenschaftler zu prüfen, ob ihre Zugspannungen auf der Grundlage der Weibull-Statistik vorhergesagt werden könnten, die insbesondere Unterschiede in der Probengröße und der daraus resultierenden Defektgröße erklären kann.
Es wird davon ausgegangen, dass es sich um ein Haarsegment mit Volumen handelt V состоит из n Volumenelemente und jede Volumeneinheit V0 weist eine ähnliche Fehlerverteilung auf. Unter Verwendung der Annahme des schwächsten Glieds bei einem bestimmten Spannungsniveau σ вероятность P Aufrechterhaltung der Integrität eines bestimmten Haarsegments mit Volumen V kann als Produkt zusätzlicher Wahrscheinlichkeiten für die Aufrechterhaltung der Integrität jedes der Volumenelemente ausgedrückt werden, nämlich:
P(V) = P(V0🇧🇷 P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
Wo ist die Lautstärke? V enthält n Volumenelemente V0. Wenn die Spannung steigt P(V) nimmt natürlich ab.
Unter Verwendung einer Weibull-Verteilung mit zwei Parametern kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Volumens wie folgt ausgedrückt werden:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (()σ/σ0)M]
wo σ — angelegte Spannung, σ0 ist die charakteristische (Referenz-)Stärke und m — Weibull-Modul, ein Maß für die Eigenschaftsvariabilität. Es ist erwähnenswert, dass die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung mit zunehmender Stichprobengröße steigt V bei konstanter Spannung σ.
Auf dem Diagramm 9А Dargestellt ist die Weibull-Verteilung der experimentellen Versagensspannungen für Menschen- und Wasserschweinhaare. Kurven für andere Arten wurden mithilfe der Formel Nr. 2 mit demselben m-Wert wie für menschliches Haar vorhergesagt (m = 0.11).
Die verwendeten durchschnittlichen Durchmesser waren: Eber – 235 µm, Pferd – 200 µm, Pekari – 300 µm, Bär – 70 µm, Elefantenhaar – 345 µm und Giraffe – 370 µm.
Basierend auf der Tatsache, dass die Bruchspannung bestimmt werden kann P(V) = 0.5 deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Versagensspannung mit zunehmendem Haardurchmesser bei allen Arten abnimmt.
Auf dem Diagramm 9V zeigt die vorhergesagten Bruchspannungen bei einer Ausfallwahrscheinlichkeit von 50 % (P(V) = 0.5) und die durchschnittliche experimentelle Bruchspannung für verschiedene Arten.
Es wird deutlich, dass mit zunehmendem Durchmesser des Haares von 100 auf 350 mm seine Bruchspannung von 200–250 MPa auf 125–150 MPa abnimmt. Die Ergebnisse der Weibull-Verteilungssimulation stimmen hervorragend mit den tatsächlichen Beobachtungsergebnissen überein. Die einzige Ausnahme bilden Pekarihaare, da diese extrem porös sind. Die tatsächliche Stärke von Pekarihaaren ist geringer als die durch die Weibull-Verteilungsmodellierung gezeigte.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
Die wichtigste Schlussfolgerung aus den obigen Beobachtungen ist, dass dickes Haar nicht gleichbedeutend mit starkem Haar ist. Zwar handelt es sich bei dieser Aussage, wie die Wissenschaftler selbst sagen, nicht um eine Entdeckung des Jahrtausends, da bei der Untersuchung von Metalldrähten ähnliche Beobachtungen gemacht wurden. Hier geht es nicht einmal um Physik, Mechanik oder Biologie, sondern um Statistik: Je größer das Objekt, desto größer die Möglichkeit für Fehler.
Wissenschaftler glauben, dass die von uns heute besprochene Arbeit ihren Kollegen bei der Entwicklung neuer synthetischer Materialien helfen wird. Das Hauptproblem besteht darin, dass trotz der Entwicklung moderner Technologien noch nicht in der Lage ist, so etwas wie Menschen- oder Elefantenhaar herzustellen. Denn etwas so Kleines zu schaffen, ist schon eine Herausforderung, ganz zu schweigen von der komplexen Struktur.
Wie wir sehen können, hat diese Studie gezeigt, dass nicht nur Spinnenseide die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern als Inspiration für zukünftige ultrastarke und ultraleichte Materialien verdient, sondern auch menschliches Haar mit seinen mechanischen Eigenschaften und seiner erstaunlichen Festigkeit überraschen kann.
Vielen Dank fürs Lesen, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine tolle Woche, Leute. 🙂
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Source: habr.com