В 1832 году Чарльз Дарвин стал свидетелем того, как сотни летающих пауков приземлились на HMS. бигль в то время как около 60 миль от берега. Полеты на воздушном шаре — это явление, известное как минимум со времен Аристотеля и увековеченное в классической детской книге Э. Б. Уайта. Паутина Шарлотты— но ученые только недавно добились прогресса в лучшем понимании лежащей в его основе физики.

Согласно недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review E, физики разработали новую математическую модель, включающую все различные действующие силы, а также эффекты множественных потоков. Авторы М. Халид Джавед (UCLA) и Чарбель Хабчи ( Университет Нотр-Дам-Луаз) основали свою новую модель на алгоритме компьютерной графики, используемом для моделирования меха и волос в таких блокбастерах, как Хоббит а также Планета обезьян. Эта работа может однажды внести свой вклад в разработку новых типов аэростатных датчиков для исследования атмосферы.

Существуют конкурирующие гипотезы о том, как летающие на воздушном шаре пауки могут парить в воздухе. Например, в одном из предположений утверждается, что по мере того, как воздух нагревается с восходящим солнцем, шелковые нити, которые пауки испускают для раскручивания своих «парашютов», улавливают восходящие конвекционные потоки (восходящие потоки), вызванные тепловыми градиентами. Вторая гипотеза гласит, что нити имеют статический электрический заряд, взаимодействующий со слабым вертикальным электрическим полем в атмосфере.

Увеличить / воздухоплавание Эригон паук использует тонкие нити паучьего шелка, чтобы улавливать токи электрического поля и воздушные потоки.

В ходе экспериментальных исследований были изучены обе гипотезы о летающих на воздушном шаре пауках. Например, одно исследование 2018 года, опубликованное в журнале Current Biology, показало, что пауки способны обнаруживать электрические поля в естественных атмосферных условиях. Исследование предполагает, что это провоцирует вздутие живота, а электрические поля обеспечивают достаточную силу для создания подъемной силы.

Во втором исследовании 2018 года в PLOS Biology сообщалось об экспериментах с пауками-крабами, летящими на воздушном шаре. Соавтор Мунсунг Чо, инженер-аэродинамик из Берлинского технического университета, был вдохновлен тем, что заметил нескольких диких пауков, летающих на воздушном шаре, во время прогулки по городскому парку Лилиенталь. Он и его коллеги построили открытую платформу и одного за другим поместили на нее дюжину пойманных пауков-крабов, снимая на видео их поведение на воздушном шаре. Платформы испускали мелкий порошок, чтобы можно было видеть скорость и направление ветра. Они также провели аналогичные эксперименты в аэродинамической трубе с катушкой, помещенной за пауками на платформе, чтобы наматывать распыленные шелковые лески, как если бы они были рыболовной леской.

Дать и другие. обнаружили, что пауки, казалось, проверяли условия перед взлетом, поднимая в воздух одну или две передние ноги. Если ветер был достаточно слабым (около 3 метров в секунду), пауки тогда поворачивались, вставали на «цыпочки» и поднимали зад к небу. Затем они выпускали несколько шелковых нитей, которые образовывали треугольный парашют. Во время этого процесса пауки прикреплялись к земле с помощью троса и отделялись только после того, как парашют начинал их уносить.

Чо и его коллеги также определили, что средняя нить паучьего шелка имеет длину 9 футов и всего 200 нанометров в поперечнике (меньше длины волны видимого света). При таких масштабах, сказал Чо The Washington Post, «воздух очень липкий, как мед». Он пришел к выводу, что сочетание липкого воздуха и узких нитей дает паукам достаточную подъемную силу, чтобы парить в воздухе.

Также были проведены исследования моделирования с участием одного потока. Однако никто еще не смоделировал влияние нескольких нитей на раздувание, принимая во внимание влияние силы электростатического отталкивания на форму нитей, а также скорость раздувания. Джавед и Хабчи решили исправить этот пробел в литературе.

Они использовали алгоритм, который делит каждую шелковую нить на несколько сегментов, напоминающих нити спагетти, которые могут сгибаться, растягиваться и скручиваться. В настоящей физической манере они смоделировали Эригон паук в виде сферы диаметром 2 миллиметра. Различные варианты симуляции имели две, четыре или восемь нитей, прикрепленных к вершине сферы-паука, и модель предполагала, что нити были покрыты электрическими зарядами.

Джавед и Хабчи также включили в свою модель несколько других факторов: гравитацию, атмосферное электрическое поле, электрический заряд нитей и сопротивление (сопротивление воздуха) нитей. Согласно физике APS:

В моделировании паук начинает с покоя на земле и поднимается электрическим полем. В то время как заряженные, изначально прямые нити остаются прикрепленными к пауку, их взаимное отталкивание заставляет их расходиться в течение определенного периода времени. По мере того, как паук ускоряется вверх, сопротивление вниз увеличивается и – в сочетании с весом паука – в конечном итоге нейтрализует подъемную силу. Это соревнование между восходящей и нисходящей силами определяет конечную (конечную) скорость восхождения паука.

Моделирование показало, что несколько нитей не запутались при зарядке. «Мы думаем, что, по крайней мере, для маленьких пауков электрическое поле без какой-либо помощи восходящих воздушных потоков может вызвать вздутие живота», — сказал Хабчи, добавив, что более крупным паукам потребуется усиление восходящего воздушного потока. Вертикальные скорости (8,5 см/с) согласуются с недавними экспериментальными исследованиями, а электрические заряды, равномерно распределенные по всей нити или только на ее конце, в равной степени способны создавать подъемную силу.

DOI: Physical Review E, 2022. 0.1103/PhysRevE.105.034401 (О DOI).