Τα μαλλιά για έναν σύγχρονο άνθρωπο δεν είναι τίποτα άλλο από ένα στοιχείο οπτικής αυτοπροσδιορισμού, μέρος της εικόνας και της εικόνας. Παρόλα αυτά, αυτοί οι κερατώδεις σχηματισμοί του δέρματος έχουν αρκετές σημαντικές βιολογικές λειτουργίες: προστασία, θερμορύθμιση, αφή κ.λπ. Πόσο δυνατά είναι τα μαλλιά μας; Όπως αποδείχθηκε, είναι πολλές φορές πιο δυνατά από τρίχες ελέφαντα ή καμηλοπάρδαλης.
Σήμερα θα εξοικειωθούμε με μια μελέτη στην οποία επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (ΗΠΑ) αποφάσισαν να δοκιμάσουν πώς το πάχος της τρίχας και η δύναμή τους συσχετίζονται σε διάφορα ζωικά είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Ποιανού τα μαλλιά είναι τα πιο δυνατά, ποιες μηχανικές ιδιότητες έχουν οι διαφορετικοί τύποι μαλλιών και πώς μπορεί αυτή η έρευνα να βοηθήσει στην ανάπτυξη νέων τύπων υλικών; Το μαθαίνουμε από την έκθεση των επιστημόνων. Πηγαίνω.
Ερευνητική βάση
Τα μαλλιά, που αποτελούνται σε μεγάλο βαθμό από την πρωτεΐνη κερατίνη, είναι ο κερατοειδής σχηματισμός του δέρματος των θηλαστικών. Στην πραγματικότητα, τα μαλλιά, το μαλλί και η γούνα είναι συνώνυμα. Η δομή της τρίχας αποτελείται από πλάκες κερατίνης που επικαλύπτονται μεταξύ τους, σαν ντόμινο που πέφτουν το ένα πάνω στο άλλο. Κάθε τρίχα έχει τρία στρώματα: η επιδερμίδα είναι το εξωτερικό και προστατευτικό στρώμα. φλοιός - ο φλοιός, που αποτελείται από επιμήκη νεκρά κύτταρα (σημαντικό για τη δύναμη και την ελαστικότητα της τρίχας, καθορίζει το χρώμα της λόγω της μελανίνης) και ο μυελός - το κεντρικό στρώμα της τρίχας, που αποτελείται από μαλακά κύτταρα κερατίνης και κοιλότητες αέρα, που είναι εμπλέκονται στη μεταφορά θρεπτικών ουσιών σε άλλα στρώματα.
Αν η τρίχα χωριστεί κατακόρυφα, παίρνουμε ένα υποδόριο τμήμα (άξονας) και ένα υποδόριο τμήμα (βολβός ή ρίζα). Ο βολβός περιβάλλεται από ένα θύλακα, το σχήμα του οποίου καθορίζει το σχήμα της ίδιας της τρίχας: ένας στρογγυλός θύλακος είναι ίσιος, ένας οβάλ ωοθυλάκιος είναι ελαφρώς σγουρός, ένας θύλακος σε σχήμα νεφρού είναι σγουρός.
Πολλοί επιστήμονες υποστηρίζουν ότι η ανθρώπινη εξέλιξη αλλάζει λόγω της τεχνολογικής προόδου. Δηλαδή, κάποια όργανα και δομές στο σώμα μας γίνονται σταδιακά υποτυπώδη - αυτά που έχουν χάσει τον προορισμό τους. Αυτά τα μέρη του σώματος περιλαμβάνουν φρονιμίτες, σκωληκοειδή απόφυση και τρίχες σώματος. Με άλλα λόγια, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι με την πάροδο του χρόνου, αυτές οι δομές απλά θα εξαφανιστούν από την ανατομία μας. Το αν αυτό είναι αλήθεια ή όχι είναι δύσκολο να πει κανείς, αλλά για πολλούς απλούς ανθρώπους, οι φρονιμίτες, για παράδειγμα, συνδέονται με την επίσκεψη στον οδοντίατρο για την αναπόφευκτη αφαίρεσή τους.
Όπως και να έχει, ένα άτομο χρειάζεται μαλλιά· μπορεί να μην παίζει πλέον ζωτικό ρόλο στη θερμορύθμιση, αλλά εξακολουθεί να είναι αναπόσπαστο μέρος της αισθητικής. Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για τον παγκόσμιο πολιτισμό. Σε πολλές χώρες, από αμνημονεύτων χρόνων, τα μαλλιά θεωρούνταν η πηγή κάθε δύναμης και το κούρεμα τους συνδέθηκε με πιθανά προβλήματα υγείας, ακόμη και αποτυχίες στη ζωή. Η ιερή έννοια των μαλλιών μετανάστευσε από τις σαμανικές τελετουργίες των αρχαίων φυλών σε πιο σύγχρονες θρησκείες, έργα συγγραφέων, καλλιτεχνών και γλυπτών. Συγκεκριμένα, η γυναικεία ομορφιά ήταν συχνά στενά συνδεδεμένη με τον τρόπο που φαινόταν ή απεικονιζόταν τα μαλλιά των όμορφων κυριών (για παράδειγμα, σε πίνακες ζωγραφικής).
Παρατηρήστε πόσο λεπτομερώς απεικονίζονται τα μαλλιά της Αφροδίτης (Sandro Botticelli, «Birth of Venus», 1485).
Ας αφήσουμε στην άκρη την πολιτιστική και αισθητική πτυχή των μαλλιών και ας αρχίσουμε να εξετάζουμε την έρευνα των επιστημόνων.
Οι τρίχες, με τη μία ή την άλλη μορφή, υπάρχουν σε πολλά είδη θηλαστικών. Αν για τους ανθρώπους δεν είναι πλέον τόσο σημαντικά από βιολογική άποψη, τότε για άλλους εκπροσώπους του ζωικού κόσμου το μαλλί και η γούνα είναι ζωτικής σημασίας ιδιότητες. Ταυτόχρονα, ως προς τη βασική τους δομή, τα ανθρώπινα μαλλιά και, για παράδειγμα, τα μαλλιά του ελέφαντα μοιάζουν πολύ, αν και υπάρχουν διαφορές. Το πιο προφανές από αυτά είναι οι διαστάσεις, επειδή οι τρίχες ελέφαντα είναι πολύ πιο χοντρές από τις δικές μας, αλλά, όπως αποδείχθηκε, όχι πιο δυνατές.
Οι επιστήμονες μελετούν τα μαλλιά και το μαλλί εδώ και αρκετό καιρό. Τα αποτελέσματα αυτών των εργασιών εφαρμόστηκαν τόσο στην κοσμετολογία και την ιατρική, όσο και στην ελαφριά βιομηχανία (ή, όπως θα έλεγε η γνωστή Kalugina L.P.: «ελαφριά βιομηχανία»), ή πιο συγκεκριμένα στην κλωστοϋφαντουργία. Επιπλέον, η μελέτη των μαλλιών έχει βοηθήσει πολύ στην ανάπτυξη βιοϋλικών με βάση την κερατίνη, τα οποία στις αρχές του περασμένου αιώνα έμαθαν να απομονώνουν από κέρατα ζώων χρησιμοποιώντας ασβέστη.
Η κερατίνη που ελήφθη με αυτόν τον τρόπο χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία πηκτωμάτων που θα μπορούσαν να ενισχυθούν με την προσθήκη φορμαλδεΰδης. Αργότερα, έμαθαν να απομονώνουν την κερατίνη όχι μόνο από τα κέρατα των ζώων, αλλά και από τη γούνα τους, καθώς και από τα ανθρώπινα μαλλιά. Ουσίες με βάση την κερατίνη έχουν βρει τη χρήση τους σε καλλυντικά, σύνθετα υλικά, ακόμη και σε επικαλύψεις δισκίων.
Στις μέρες μας, η βιομηχανία μελέτης και παραγωγής ανθεκτικών και ελαφρών υλικών αναπτύσσεται ραγδαία. Τα μαλλιά, όντας φυσικά έτσι, είναι ένα από τα φυσικά υλικά που εμπνέουν αυτού του είδους την έρευνα. Εξετάστε την αντοχή σε εφελκυσμό του μαλλιού και των ανθρώπινων μαλλιών, η οποία κυμαίνεται από 200 έως 260 MPa, που ισοδυναμεί με ειδική αντοχή 150-200 MPa/mg m-3. Και αυτό είναι σχεδόν συγκρίσιμο με το χάλυβα (250 MPa / mg m-3).
Ο κύριος ρόλος στο σχηματισμό των μηχανικών ιδιοτήτων της τρίχας παίζει η ιεραρχική δομή της, που θυμίζει κούκλα matryoshka. Το πιο σημαντικό στοιχείο αυτής της δομής είναι ο εσωτερικός φλοιός των φλοιωδών κυττάρων (διάμετρος περίπου 5 μm και μήκος 100 μm), που αποτελείται από ομαδοποιημένα μακροϊνίδια (διάμετρος περίπου 0.2-0.4 μm), τα οποία, με τη σειρά τους, αποτελούνται από ενδιάμεσα νημάτια (7.5 nm). σε διάμετρο ), ενσωματωμένο σε μια άμορφη μήτρα.
Οι μηχανικές ιδιότητες της τρίχας, η ευαισθησία της στη θερμοκρασία, την υγρασία και την παραμόρφωση είναι άμεσο αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των άμορφων και κρυσταλλικών συστατικών του φλοιού. Οι ίνες κερατίνης του φλοιού της ανθρώπινης τρίχας έχουν τυπικά υψηλή επιμήκυνση, με τάση εφελκυσμού μεγαλύτερη από 40%.
Μια τέτοια υψηλή τιμή οφείλεται στο ξετύλιγμα της δομής а-κερατίνη και, σε ορισμένες περιπτώσεις, η μετατροπή της σε b-κερατίνη, η οποία οδηγεί σε αύξηση του μήκους (μια πλήρης στροφή μιας έλικας 0.52 nm τεντώνεται στα 1.2 nm στη διαμόρφωση b). Αυτός είναι ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους πολλές μελέτες έχουν επικεντρωθεί ειδικά στην κερατίνη προκειμένου να την αναδημιουργήσουν σε συνθετική μορφή. Αλλά το εξωτερικό στρώμα της τρίχας (επιδερμίδα), όπως ήδη γνωρίζουμε, αποτελείται από πλάκες (πάχους 0.3–0.5 μm και μήκος 40–60 μm).
Προηγουμένως, οι επιστήμονες έχουν ήδη πραγματοποιήσει έρευνα σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες των μαλλιών ανθρώπων από διαφορετικές ηλικίες και εθνικές ομάδες. Σε αυτή την εργασία, δόθηκε έμφαση στη μελέτη των διαφορών στις μηχανικές ιδιότητες των τριχών διαφόρων ζωικών ειδών, και συγκεκριμένα: ανθρώπων, αλόγων, αρκούδων, αγριογούρουνων, καπιμπάρων, πεκαριών, καμηλοπαρδάλεων και ελεφάντων.
Αποτελέσματα της μελέτης
Εικόνα #1: Μορφολογία ανθρώπινων μαλλιών (А - επιδερμίδα? В - κάταγμα φλοιού. που δείχνει τα άκρα των ινών, С — την επιφάνεια του ρήγματος, όπου είναι ορατά τρία στρώματα. D - πλευρική επιφάνεια του φλοιού, που παρουσιάζει επιμήκυνση των ινών).
Μια ενήλικη ανθρώπινη τρίχα έχει διάμετρο περίπου 80-100 μικρά. Με την κανονική περιποίηση των μαλλιών, η εμφάνισή τους είναι αρκετά ολιστική (1А). Το εσωτερικό συστατικό της ανθρώπινης τρίχας είναι ο ινώδης φλοιός. Μετά από δοκιμή εφελκυσμού, διαπιστώθηκε ότι η επιδερμίδα και ο φλοιός των ανθρώπινων μαλλιών έσπασαν διαφορετικά: η επιδερμίδα συνήθως έσπασε με λειαντικό τρόπο (τσαλακώνει) και οι ίνες κερατίνης στον φλοιό αποκολλήθηκαν και τραβήχτηκαν έξω από τη συνολική δομή (1V).
Στη φωτογραφία 1S η εύθραυστη επιφάνεια της επιδερμίδας είναι καθαρά ορατή με την οπτικοποίηση των στρωμάτων, τα οποία είναι επικαλυπτόμενες πλάκες επιδερμίδας και έχουν πάχος 350–400 nm. Η παρατηρούμενη αποκόλληση στην επιφάνεια του κατάγματος, καθώς και η εύθραυστη φύση αυτής της επιφάνειας, υποδηλώνουν ασθενή διεπιφανειακή επικοινωνία μεταξύ της επιδερμίδας και του φλοιού και μεταξύ των ινών εντός του φλοιού.
Οι ίνες κερατίνης στον φλοιό απολεπίστηκαν (1D). Αυτό υποδηλώνει ότι ο ινώδης φλοιός είναι κυρίως υπεύθυνος για τη μηχανική αντοχή της τρίχας.
Εικόνα Νο. 2: Μορφολογία τρίχας αλόγου (А - επιδερμίδα, ορισμένες πλάκες της οποίας είναι ελαφρώς αποκλίνουσες λόγω έλλειψης φροντίδας. В - εμφάνιση της ρήξης. С — λεπτομέρειες της ρήξης του φλοιού, όπου είναι ορατή η σχισμένη επιδερμίδα. D - λεπτομέρειες της επιδερμίδας).
Η δομή της τρίχας του αλόγου είναι παρόμοια με την ανθρώπινη τρίχα, εκτός από τη διάμετρο, η οποία είναι 50% μεγαλύτερη (150 μικρά). Στην φωτογραφία 2А Μπορείτε να δείτε προφανή ζημιά στην επιδερμίδα, όπου πολλές από τις πλάκες δεν είναι τόσο στενά συνδεδεμένες με τον άξονα όσο ήταν στα ανθρώπινα μαλλιά. Το σημείο του σπασίματος της αλογότριχας περιέχει τόσο ένα κανονικό σπάσιμο όσο και ένα σπάσιμο τρίχας (απέλαση των πλακών της επιδερμίδας). Επί 2V Και οι δύο τύποι ζημιών είναι ορατές. Σε περιοχές όπου τα ελάσματα έχουν αποκοπεί τελείως, είναι ορατή η διεπαφή μεταξύ της επιδερμίδας και του φλοιού (2S). Αρκετές ίνες σκίστηκαν και αποκολλήθηκαν στη διεπιφάνεια. Συγκρίνοντας αυτές τις παρατηρήσεις με προηγούμενες παρατηρήσεις (ανθρώπινα μαλλιά), τέτοιες αποτυχίες υποδεικνύουν ότι οι τρίχες αλόγου δεν υπέστησαν τόσο άγχος όσο οι ανθρώπινες τρίχες όταν οι ίνες στον φλοιό τραβήχτηκαν και αποσπάστηκαν εντελώς από την επιδερμίδα. Μπορεί επίσης να φανεί ότι ορισμένες πλάκες έχουν αποκολληθεί από τη ράβδο, κάτι που μπορεί να οφείλεται σε τάση εφελκυσμού (2D).
Εικόνα #3: Μορφολογία μαλλιών αρκούδας (А - επιδερμίδα? В — ζημιά σε δύο σημεία που σχετίζονται με την περιοχή ρήξης. С — ρωγμή της επιδερμίδας με αποκόλληση ινών στον φλοιό. D - λεπτομέρειες της δομής των ινών, είναι ορατές αρκετές επιμήκεις ίνες από τη γενική δομή).
Το πάχος μιας τρίχας αρκούδας είναι 80 μικρά. Οι πλάκες της επιδερμίδας είναι πολύ σφιχτά συνδεδεμένες μεταξύ τους (3А), και σε ορισμένες περιοχές είναι ακόμη δύσκολο να διακρίνει κανείς μεμονωμένες πλάκες. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην τριβή της τρίχας έναντι των γειτονικών. Κάτω από τάση εφελκυσμού, αυτές οι τρίχες κυριολεκτικά χωρίζονται με την εμφάνιση μακριών ρωγμών (εισαγωγές επάνω 3B), υποδεικνύοντας ότι με την αδύναμη δεσμευτική επίδραση της κατεστραμμένης επιδερμίδας, οι ίνες κερατίνης στον φλοιό αποκολλήθηκαν εύκολα. Η αποκόλληση του φλοιού προκαλεί σπάσιμο στην επιδερμίδα, όπως αποδεικνύεται από το ζιγκ-ζαγκ σχέδιο του σπασίματος (3S). Αυτή η τάση αναγκάζει ορισμένες ίνες να τραβήξουν έξω από τον φλοιό (3D).
Εικόνα Νο. 4: Μορφολογία τρίχας κάπρου (А - συνηθισμένο επίπεδο κάταγμα τρίχας. В — η δομή της επιδερμίδας δείχνει κακή κατάσταση ακεραιότητας (ομαδοποίηση) των πλακών. С — λεπτομέρειες του κενού στη διεπιφάνεια μεταξύ της επιδερμίδας και του φλοιού· D - ίνες επιμήκεις από τη συνολική μάζα και προεξέχοντα ινίδια).
Τα μαλλιά κάπρου είναι αρκετά παχιά (230 mm), ειδικά σε σύγκριση με τα μαλλιά της αρκούδας. Το σκίσιμο των τριχών του κάπρου όταν είναι κατεστραμμένο φαίνεται αρκετά καθαρά (4А) κάθετα προς την κατεύθυνση της εφελκυστικής τάσης.
Σχετικά μικρές εκτεθειμένες πλάκες επιδερμίδας σκίστηκαν από το κύριο σώμα των μαλλιών λόγω τεντώματος των άκρων τους (4V).
Στην επιφάνεια της ζώνης καταστροφής, η αποκόλληση των ινών είναι σαφώς ορατή· είναι επίσης σαφές ότι ήταν πολύ στενά συνδεδεμένες μεταξύ τους μέσα στον φλοιό (4S). Μόνο οι ίνες στη διεπιφάνεια μεταξύ του φλοιού και της επιδερμίδας εκτέθηκαν λόγω διαχωρισμού (4D), που αποκάλυψε την παρουσία παχύρρευστων φλοιωδών ινιδίων (διάμετρος 250 nm). Μερικά από τα ινίδια προεξείχαν ελαφρά λόγω παραμόρφωσης. Υποτίθεται ότι χρησιμεύουν ως ενισχυτικό για τα μαλλιά του κάπρου.
Εικόνα #5: Μορφολογία τρίχας ελέφαντα (А - С) και καμηλοπάρδαλη (D - F). А - επιδερμίδα? В - σταδιακό σπάσιμο μαλλιών. С - τα κενά μέσα στα μαλλιά δείχνουν πού σκίστηκαν οι ίνες. D - επιδερμιδικές πλάκες. Е - ακόμη και σπάσιμο μαλλιών? F - ίνες σχισμένες από την επιφάνεια στην περιοχή του κατάγματος.
Το τρίχωμα ενός μωρού ελέφαντα μπορεί να έχει πάχος περίπου 330 μικρά και σε έναν ενήλικα μπορεί να φτάσει το 1.5 mm. Οι πλάκες στην επιφάνεια είναι δύσκολο να διακριθούν (5А).Οι τρίχες των ελεφάντων είναι επίσης επιρρεπείς σε φυσιολογική κατάρρευση, δηλ. σε καθαρό εφελκυστικό κάταγμα. Επιπλέον, η μορφολογία της επιφάνειας του κατάγματος παρουσιάζει κλιμακωτή εμφάνιση (5V), πιθανώς λόγω της παρουσίας μικρών ελαττωμάτων στον φλοιό της τρίχας. Κάποιες μικρές τρύπες μπορούν επίσης να φανούν στην επιφάνεια του κατάγματος, όπου πιθανώς εντοπίστηκαν ενισχυτικά ινίδια πριν από τη ζημιά (5S).
Τα μαλλιά της καμηλοπάρδαλης είναι επίσης αρκετά πυκνά (370 μικρά), αν και η διάταξη των πλακών της επιδερμίδας δεν είναι τόσο σαφής (5D). Πιστεύεται ότι αυτό οφείλεται στη ζημιά τους από διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες (για παράδειγμα, τριβή ενάντια στα δέντρα κατά τη διάρκεια της σίτισης). Παρά τις διαφορές, το σπάσιμο των μαλλιών της καμηλοπάρδαλης ήταν παρόμοιο με αυτό του ελέφαντα (5F).
Εικόνα Νο. 6: μορφολογία μαλλιών capybara (А - διπλή επιδερμιδική δομή των πλακών. В — ρήξη της διπλής κατασκευής. С — οι ίνες κοντά στο όριο της ρήξης φαίνονται εύθραυστες και άκαμπτες. D - επιμήκεις ίνες από τη ζώνη ρήξης της διπλής δομής).
Τα μαλλιά των καπιμπάρων και των πεκαριών είναι διαφορετικά από όλες τις άλλες τρίχες που μελετήθηκαν. Στο capybara, η κύρια διαφορά είναι η παρουσία μιας διαμόρφωσης διπλής επιδερμίδας και ένα οβάλ σχήμα μαλλιών (6А). Η αυλάκωση μεταξύ των δύο καθρέφτη τμημάτων της τρίχας είναι απαραίτητη για την ταχύτερη απομάκρυνση του νερού από τη γούνα του ζώου, καθώς και για καλύτερο αερισμό, που του επιτρέπει να στεγνώνει πιο γρήγορα. Όταν εκτίθενται σε τέντωμα, τα μαλλιά χωρίζονται σε δύο μέρη κατά μήκος της αυλάκωσης και κάθε μέρος καταστρέφεται (6V). Πολλές ίνες του φλοιού διαχωρίζονται και τεντώνονται (6S и 6D).
Εικόνα #7: Μορφολογία μαλλιών Peccary (А - δομή της επιδερμίδας και τόπος ρήξης. В — μορφολογία της καταστροφής του φλοιού και λεπτομέρειες της δομής του· С — κλειστά κελιά (διάμετρος 20 μικρά), τα τοιχώματα των οποίων αποτελούνται από ίνες. D - κυτταρικά τοιχώματα).
Οι πεκαριές (οικογένεια Tayassuidae, δηλ. peccary) τα μαλλιά έχουν πορώδες φλοιό και το στρώμα της επιδερμίδας δεν έχει διακριτές πλάκες (7А). Ο φλοιός της τρίχας περιέχει κλειστά κύτταρα μεγέθους 10-30 microns (7V), τα τοιχώματα των οποίων αποτελούνται από ίνες κερατίνης (7S). Αυτά τα τοιχώματα είναι αρκετά πορώδη και το μέγεθος ενός πόρου είναι περίπου 0.5-3 μικρά (7D).
Όπως φαίνεται στην εικόνα 7А, χωρίς τη στήριξη του ινώδους φλοιού, η επιδερμίδα ραγίζει κατά μήκος της γραμμής θραύσης και οι ίνες τραβιούνται προς τα έξω σε ορισμένα σημεία. Αυτή η δομή της τρίχας είναι απαραίτητη για να είναι η τρίχα πιο κάθετη, αυξάνοντας οπτικά το μέγεθος του ζώου, κάτι που μπορεί να είναι ένας αμυντικός μηχανισμός για τον πεκάρι. Τα μαλλιά Peccary αντιστέκονται αρκετά καλά στη συμπίεση, αλλά δεν αντιμετωπίζουν το τέντωμα.
Έχοντας κατανοήσει τα δομικά χαρακτηριστικά των τριχών διαφορετικών ζώων, καθώς και τους τύπους βλάβης λόγω έντασης, οι επιστήμονες άρχισαν να περιγράφουν τις μηχανικές ιδιότητες.
Εικόνα Νο. 8: διάγραμμα παραμόρφωσης για κάθε τύπο τρίχας και διάγραμμα της πειραματικής διάταξης για τη λήψη δεδομένων (ρυθμός καταπόνησης 10-2 s-1).
Όπως φαίνεται από το παραπάνω γράφημα, η απόκριση στο τέντωμα στα μαλλιά διαφορετικών ειδών ζώων ήταν αρκετά διαφορετική. Έτσι, τα μαλλιά ενός ατόμου, ενός αλόγου, ενός κάπρου και μιας αρκούδας παρουσίασαν μια αντίδραση παρόμοια με την αντίδραση του μαλλιού (όχι κάποιου άλλου, αλλά ενός υφαντικού υλικού).
Σε σχετικά υψηλό μέτρο ελαστικότητας 3.5–5 GPa, οι καμπύλες αποτελούνται από μια γραμμική (ελαστική) περιοχή, ακολουθούμενη από ένα οροπέδιο με αργά αυξανόμενη τάση μέχρι μια παραμόρφωση 0.20–0.25, μετά την οποία ο ρυθμός σκλήρυνσης αυξάνεται σημαντικά μέχρι στέλεχος αστοχίας 0.40. Η περιοχή του οροπεδίου αναφέρεται σε χαλάρωση а-ελικοειδής δομή ενδιάμεσων νημάτων κερατίνης, τα οποία σε ορισμένες περιπτώσεις μπορούν (μερικώς) να μετατραπούν σε b-σεντόνια (επίπεδες κατασκευές). Το πλήρες ξετύλιγμα οδηγεί σε παραμόρφωση 1.31, η οποία είναι σημαντικά υψηλότερη από ό,τι στο τέλος αυτού του σταδίου (0.20–0.25).
Το κρυσταλλικό τμήμα της δομής που μοιάζει με νήμα περιβάλλεται από μια άμορφη μήτρα που δεν μετασχηματίζεται. Το άμορφο τμήμα αποτελεί περίπου το 55% του συνολικού όγκου, αλλά μόνο εάν η διάμετρος των ενδιάμεσων νημάτων είναι 7 nm και ότι χωρίζονται από 2 nm άμορφου υλικού. Τέτοιοι ακριβείς δείκτες έχουν προκύψει σε προηγούμενες μελέτες.
Κατά τη διάρκεια του σταδίου σκλήρυνσης της παραμόρφωσης, συμβαίνει ολίσθηση μεταξύ των φλοιωδών ινών καθώς και μεταξύ μικρότερων δομικών στοιχείων όπως τα μικροϊνίδια, τα ενδιάμεσα νήματα και η άμορφη μήτρα.
Οι τρίχες της καμηλοπάρδαλης, του ελέφαντα και του πεκάριου παρουσιάζουν μια σχετικά γραμμική απόκριση σκλήρυνσης χωρίς σαφή διάκριση μεταξύ οροπεδίων και περιοχών ταχείας σκλήρυνσης (κορυφές). Ο συντελεστής ελαστικότητας είναι σχετικά χαμηλός και είναι περίπου 2 GPa.
Σε αντίθεση με άλλα είδη, οι τρίχες capybara παρουσιάζουν μια απόκριση που χαρακτηρίζεται από ταχεία σκλήρυνση όταν εφαρμόζονται διαδοχικές καταπονήσεις. Αυτή η παρατήρηση συνδέεται με την ασυνήθιστη δομή των μαλλιών του capybara, ή πιο συγκεκριμένα με την παρουσία δύο συμμετρικών τμημάτων και μιας διαμήκους αυλάκωσης μεταξύ τους.
Έχουν ήδη διεξαχθεί προηγούμενες μελέτες που δείχνουν ότι ο συντελεστής του Young (διαμήκης συντελεστής ελαστικότητας) μειώνεται με την αύξηση της διαμέτρου των τριχών σε διάφορα ζωικά είδη. Αυτές οι εργασίες σημείωσαν ότι ο συντελεστής Young του πεκάριου είναι σημαντικά χαμηλότερος από αυτόν άλλων ζώων, κάτι που μπορεί να οφείλεται στο πορώδες της δομής της τρίχας του.
Είναι επίσης αξιοπερίεργο ότι τα peccaries έχουν μαύρες και άσπρες περιοχές στα μαλλιά τους (δίχρωμα). Τα σπασίματα εφελκυσμού συμβαίνουν συχνότερα στη λευκή περιοχή των μαλλιών. Η αυξημένη αντίσταση της μαύρης περιοχής οφείλεται στην παρουσία μελανοσωμάτων, τα οποία βρίσκονται αποκλειστικά στα μαύρα μαλλιά.
Όλες αυτές οι παρατηρήσεις είναι πραγματικά μοναδικές, αλλά το κύριο ερώτημα παραμένει: παίζουν ρόλο οι διαστάσεις των μαλλιών στη δύναμή τους;
Αν περιγράψουμε τα μαλλιά στα θηλαστικά, μπορούμε να επισημάνουμε τα κύρια γεγονότα που είναι γνωστά στους ερευνητές:
- στους περισσότερους τύπους μαλλιών είναι πιο χοντρό στο κεντρικό τμήμα και λεπταίνει προς το τέλος. Η γούνα των άγριων ζώων είναι παχύτερη λόγω του ενδιαιτήματός τους.
- Οι διακυμάνσεις στη διάμετρο των τριχών ενός είδους δείχνουν ότι το πάχος των περισσότερων τριχών ποικίλλει εντός του γενικού εύρους πάχους για ένα δεδομένο ζωικό είδος. Το πάχος των τριχών μπορεί να διαφέρει μεταξύ διαφορετικών εκπροσώπων του ίδιου είδους, αλλά τι επηρεάζει αυτή τη διαφορά είναι ακόμα άγνωστο.
- Διαφορετικά είδη θηλαστικών έχουν διαφορετικό πάχος τρίχας (όσο κλισέ κι αν ακούγεται αυτό).
Συνοψίζοντας αυτά τα δημόσια διαθέσιμα στοιχεία και τα δεδομένα που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, οι επιστήμονες μπόρεσαν να συγκρίνουν όλα τα αποτελέσματα για να σχηματίσουν σχέσεις μεταξύ του πάχους της τρίχας και της δύναμής τους.
Εικόνα Νο. 9: η σχέση μεταξύ του πάχους της τρίχας και της αντοχής της σε διάφορα είδη ζώων.
Λόγω των διαφορών στη διάμετρο και την εκτασιμότητα της τρίχας, οι επιστήμονες αποφάσισαν να δουν εάν οι τάσεις εφελκυσμού τους μπορούσαν να προβλεφθούν με βάση τα στατιστικά του Weibull, τα οποία μπορούν να εξηγήσουν συγκεκριμένα τις διαφορές στο μέγεθος του δείγματος και το μέγεθος του προκύπτοντος ελαττώματος.
Υποτίθεται ότι ένα τμήμα μαλλιών με όγκο V состоит из n στοιχεία όγκου και κάθε μονάδα όγκου V0 έχει παρόμοια κατανομή ελαττωμάτων. Χρησιμοποιώντας την υπόθεση της ασθενέστερης ζεύξης, σε ένα δεδομένο επίπεδο τάσης σ ευκαιρία P διατηρώντας την ακεραιότητα ενός δεδομένου τμήματος μαλλιών με όγκο V μπορεί να εκφραστεί ως το γινόμενο πρόσθετων πιθανοτήτων διατήρησης της ακεραιότητας καθενός από τα στοιχεία όγκου, και συγκεκριμένα:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
που είναι ο όγκος V περιέχει n στοιχεία όγκου V0. Όσο αυξάνεται η τάση P(V) μειώνεται φυσικά.
Χρησιμοποιώντας μια κατανομή Weibull δύο παραμέτρων, η πιθανότητα αστοχίας ολόκληρου του όγκου μπορεί να εκφραστεί ως:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)Μ]
όπου σ — εφαρμοζόμενη τάση, σ0 είναι η χαρακτηριστική δύναμη (αναφοράς) και m — Συντελεστής Weibull, που είναι ένα μέτρο της μεταβλητότητας των ιδιοτήτων. Αξίζει να σημειωθεί ότι η πιθανότητα καταστροφής αυξάνεται με την αύξηση του μεγέθους του δείγματος V σε σταθερή τάση σ.
Στο γράφημα 9А Παρουσιάζεται η κατανομή Weibull των πειραματικών τάσεων αστοχίας για τα μαλλιά ανθρώπου και capybara. Οι καμπύλες για άλλα είδη προβλέφθηκαν χρησιμοποιώντας τον τύπο #2 με την ίδια τιμή m όπως και για τα ανθρώπινα μαλλιά (m = 0.11).
Οι μέσες διάμετροι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: αγριογούρουνο - 235 μm, άλογο - 200 μm, πέκας - 300 μm, αρκούδα - 70 μm, τρίχες ελέφαντα - 345 μm και καμηλοπάρδαλη - 370 μm.
Με βάση το γεγονός ότι η τάση θραύσης μπορεί να προσδιοριστεί σε P(V) = 0.5, αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το στρες αστοχίας μειώνεται με την αύξηση της διαμέτρου των τριχών στα διάφορα είδη.
Στο γράφημα 9V δείχνει προβλεπόμενες τάσεις θραύσης σε 50% πιθανότητα αστοχίας (P(V) = 0.5) και η μέση πειραματική τάση θραύσης για διαφορετικά είδη.
Γίνεται σαφές ότι καθώς η διάμετρος της τρίχας αυξάνεται από 100 σε 350 mm, η τάση θραύσης της μειώνεται από 200–250 MPa σε 125–150 MPa. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης κατανομής Weibull συμφωνούν άριστα με τα πραγματικά αποτελέσματα παρατήρησης. Η μόνη εξαίρεση είναι τα μαλλιά της πέκας καθώς είναι εξαιρετικά πορώδη. Η πραγματική ισχύς της τρίχας με πέκα είναι χαμηλότερη από αυτή που δείχνει η μοντελοποίηση διανομής Weibull.
Για μια πιο λεπτομερή εξοικείωση με τις αποχρώσεις της μελέτης, συνιστώ να κοιτάξετε и σε αυτόν.
Επίλογος
Το βασικό συμπέρασμα των παραπάνω παρατηρήσεων είναι ότι τα πυκνά μαλλιά δεν ισοδυναμούν με τα δυνατά μαλλιά. Είναι αλήθεια ότι, όπως λένε οι ίδιοι οι επιστήμονες, αυτή η δήλωση δεν είναι ανακάλυψη της χιλιετίας, καθώς παρόμοιες παρατηρήσεις έγιναν κατά τη μελέτη μεταλλικού σύρματος. Το θέμα εδώ δεν είναι καν στη φυσική, τη μηχανική ή τη βιολογία, αλλά στη στατιστική - όσο μεγαλύτερο είναι το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερο είναι το πεδίο για ελαττώματα.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η εργασία που εξετάσαμε σήμερα θα βοηθήσει τους συναδέλφους τους να δημιουργήσουν νέα συνθετικά υλικά. Το κύριο πρόβλημα είναι ότι παρά την ανάπτυξη των σύγχρονων τεχνολογιών, δεν είναι ακόμη ικανές να δημιουργήσουν κάτι σαν τρίχες ανθρώπου ή ελέφαντα. Εξάλλου, η δημιουργία κάτι τόσο μικρού είναι ήδη μια πρόκληση, για να μην αναφέρουμε την περίπλοκη δομή του.
Όπως μπορούμε να δούμε, αυτή η μελέτη έδειξε ότι όχι μόνο το μετάξι της αράχνης αξίζει την προσοχή των επιστημόνων ως έμπνευση για μελλοντικά εξαιρετικά ισχυρά και εξαιρετικά ελαφριά υλικά, αλλά και τα ανθρώπινα μαλλιά μπορούν να εκπλήξουν με τις μηχανικές του ιδιότητες και την εκπληκτική του αντοχή.
Ευχαριστώ για την ανάγνωση, μείνετε περίεργοι και καλή εβδομάδα παιδιά. 🙂
Μερικές διαφημίσεις 🙂
Σας ευχαριστούμε που μείνατε μαζί μας. Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Θέλετε να δείτε πιο ενδιαφέρον περιεχόμενο; Υποστηρίξτε μας κάνοντας μια παραγγελία ή προτείνοντας σε φίλους, , ένα μοναδικό ανάλογο διακομιστών εισαγωγικού επιπέδου, το οποίο εφευρέθηκε από εμάς για εσάς: (διατίθεται με RAID1 και RAID10, έως 24 πυρήνες και έως 40 GB DDR4).
Το Dell R730xd 2 φορές φθηνότερο στο κέντρο δεδομένων Equinix Tier IV στο Άμστερνταμ; Μόνο εδώ στην Ολλανδία! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - από 99$! Διαβάστε σχετικά
Πηγή: www.habr.com