Обычный бобёр

У бобров и морских выдр (каланов) отсутствует толстый слой жира, который сохраняет тепло у моржей и китов. Тем не менее, маленькие полуводные грызуны умудряются оставаться тёплыми и даже сухими, ныряя под воду. Учёных очень заинтересовало строение меховой шкуры бобров. Возможно, получится сконструировать такой же гидрофобный материал искусственным путём.

Гидрофобные характеристики меха бобров и теплоизоляция тела происходят благодаря тому, что в мехе бобров формируются карманы тёплого воздуха. Они и работают как изолятор.

Инженеры Массачусетского технологического института взяли за образец такую структуру — и изготовили мехоподобные эластичные шкурки из искусственного материала. С их помощью они изучили, какие физические процессы происходят, когда пузырьки воздуха застревают между отдельных волосков в шерсти, а материал погружается в жидкость.


Результаты исследования опубликованы 29 июля 2016 года в журнале Physical Review Fluids (doi: 10.1103/PhysRevFluids.1.033905).

«Нас особенно интересуют гидрокостюмы для плавания, где спортсмены попеременно двигают конечностями в разной среде — воздухе и воде, — сказала Анетт (Пеко) Хосой (Anette (Peko) Hosoi), профессор машиностроения и декан соответствующей кафедры Массачусетского технологического института. — Мы можем контролировать длину волосков, расстояние между ними и взаиморасположение. Это позволяет сконструировать текстуры, оптимально соответствующие конкретной скорости пловца, с максимальной площадью сухой ткани». В подготовке научной работы профессору помогали коллеги с её кафедры, а также специалисты из смежных дисциплин, в том числе инструктор МТИ по прикладной математике.

Этот пример показывает, что для многих инженерных задач человечество может найти образцы эффективных решений в природе. В данном случае была поставлена задача найти биологический эквивалент гидрокостюмов для плавания, чтобы ткань как можно быстрее высыхала после извлечения из воды, но при этом сохраняла терморегулирующие свойства, то есть обеспечивала пловцу тепло под водой.

С вопросом обратились к биологам. И те посоветовали искать решение у полуводных животных, таких как бобёр.

Когда инженеры начали изучать тему, то выяснили, что на самом деле у животных два типа шерсти: 1) длинная внешняя защитная шерсть и 2) короткий, плотный подшёрсток. Учёные предполагают, что первая шерсть защищает вторую от попадания воды, но до сих пор не существовало чёткого научного понимания и модели, как происходит этот процесс. В таблице перечислены предыдущие научные работы по изучению разных видов шерсти у полуводных животных.


Для этого группа исследователей из МТИ и сконструировала искусственный эластичный материал. На акриловых пресс-формах выжигались отверстия под управлением компьютерной программы по заданному шаблону, с точным соблюдением расстояния между отверстиями. В пресс-форму затем помещали заготовку из полидиметилсилоксана — мягкого резиноподобного материала. Он принимал нужную форму под давлением и температурой.

На иллюстрации показаны характеристики этого материала, где частицы шерсти расположены в гексагональной структуре, а расстояние между шерстинками равно их диаметру. Материал погружали в жидкости с разными скоростями, используя специальные моторизированные установки. На диаграмме внизу приведены результаты эксперимента при погружении материала в жидкость на скорости 5 мм/с. Воздушные карманы показаны чёрным цветом.


Материал погружали в воду на разной скорости и записывали эксперименты на видео.



Как выяснилось, при погружении в жидкость между отдельными шерстинками образуются своеобразные капиллярные «пробки» с воздухом. Вода может проникнуть внутрь только на определённую глубину.

Экспериментальным путём была изучено соотношение сухой области волосков к общей длине волосков, в зависимости от плотности жидкости, скорости погружения и расстояния между волосками в искусственном аналоге бобровой шерсти.


Эксперимент показал, что слой воздуха в подшёрстке становится тоньше при увеличении глубины погружения и уменьшении скорости погружения. Кроме того, толщина слоя воздуха зависит от густоты волосяного покрова. С физической точки зрения, давление жидкости выталкивает пузырьки воздуха из волосяной «ловушки», но вязкость и плотность жидкости сдерживает их движение.

Очень важным оказалось, каким образом волоски располагаются друг относительно друга. Учёным удалось составить математическую модель, которая описывает свойства материала в зависимости от его структуры. Таким образом, можно подобрать оптимальную длину волосков, толщину волосков и расстояние между ними в зависимости от плотности жидкости и скорости движения тела.

Зная формулу, теперь мы можем чётко сказать, глядя на образец шерсти, удержит она воздух или нет — в какой именно жидкости и на какой скорости.

Авторы научной работы считают, что их исследование можно применять не только в разработке более эффективных гидрокостюмов, но и в других областях материаловедения. Например, в расчёте наиболее эффективных характеристик защитных покрытий. В процессе нанесения таких покрытий материал погружается в жидкость. Теперь можно рассчитать, останутся ли под жидкостью пузырьки воздуха. И с какой скоростью нужно погружать материал в ванну, чтобы избавиться от пузырьков воздуха.