Сеть настоящего паука разрывов не боится

Пауки – удивительные существа, которые почти никого не оставляют равнодушным. Заметная доля людей откровенно, иногда необъяснимо сильно, боится этих членистоногих. Другие восхищаются их совершенством и держат дома в качестве домашних животных. Третьи относятся к паукам – и их неизменно ядовитым железам – с достойным почтением.

Нить и сеть

Ученые тоже воздают паукам должное. Интерес биологов к этим хищникам, расселившимся по всей Земле и живущим в самых разных условиях, понятен. Но они не меньше занимают и химиков, и фармацевтов, и физиков. Большая часть таких исследований в последние дни концентрируется на уникальных свойствах паутины -- этих удивительных белковых нитей, обладающих огромной прочностью и одновременно легкостью и упругостью. Здесь людям есть чему поучиться у пауков, у которых на развитие соответствующих «нанотехнологий» были сотни миллионов лет.

Паучья ловчая сеть, которую часто тоже называют паутиной, удостоилась явно меньшего внимания, хотя и ее история тянется минимум с раннего мела, а может быть, и с юрского периода. По почти единодушному признанию ученых, наибольших успехов в искусстве плетения ловчей сети добились пауки-кругопряды, которые очень умело ловят добычу с помощью вертикальных колесовидных тенет -- от больших до самых маленьких.

Юко Аоянаги и Ко Окумура с физического факультета женского университета Отяномидзу в японском Токио решили исправить несправедливость и изучить не паучью нитку, набившую оскомину читателям научных новостей, а именно сплетенную из нее сеть. Результаты исследования опубликованы в престижном физическом журнале Physical Review Letters.

Спрямленная модель

Физиков интересовали в первую очередь механические свойства ловчей сети кругопрядов. И для своих исследований они построили теоретическую модель этой структуры. В модели Аоянаги и Окумуры сеть состоит из набора радиальных нитей, скрепленных в центре, между которыми по хордам окружности натянуты «спиральные» сегменты. Так как реальная паутина очень упруга, то в качестве модельной нити ученые выбрали пружины заданной жесткости.

Модель, конечно, идеализированная: упругость нити работает лишь на напряжение (при сжатии нити провисают). Кроме того, в реальной паутине «спиральные» хорды спрямляют не окружности, а архимедову спираль. Тем не менее, как правило, эта спираль довольно туго закручена, так что мало отличается от набора вложенных окружностей. А сама ловчая сеть большую часть времени натянута ветром, даже если он очень небольшой, так что о провисании в реальности, как правило, тоже речь не идет. Все это позволяет надеяться на примерную адекватность модели.

И не исключено, что японской команде удалось с помощью этой модели ловчей сети ухватить ее, возможно, главную суть. Аоянаги и Окумура исследовали натяжение паутины в предположении, что упругости радиальных и спиральных нитей отличаются. Именно так выглядит реальная паутина – радиальные нити, как правило, крепче и зачастую даже производятся не теми бородавками, из которых вытягиваются спиральные нити. Как оказалось, это резко меняет надежность всей конструкции и делает ее куда более устойчивой к разного рода мелким повреждениям.

Паучий оптимум

Физики посмотрели, как меняется распределение сил в нагруженной (например, давлением ветра) ловчей сети в зависимости от соотношения упругости между радиальными и (условно) спиральными нитями. Как оказалось, при прочих равных максимальная сила – она приходится на внешние сегменты радиальных нитей – за счет уменьшения жесткости уложенной по спирали паутины падает примерно в два раза. Так как предел прочности как раз определяется приложенной силой, отсюда сразу следует, что такая паутина прочнее.

Но это только полдела. Как показали Аоянаги и Окумура, такая сеть также намного устойчивей к повреждениям, неизбежно возникающим в процессе «эксплуатации» тенет – например, от пролета слишком увесистого жука или упавшего откуда-то сверху желудя. Поскольку радиальные нити прочнее, ученые рассмотрели лишь вариант с повреждением «спиральных» сегментов. Как выяснилось, дополнительное напряжение от таких дефектов в паучьей сети распределяется совсем не так, как в обычных материалах. Оно концентрируется не в районе дефекта, а более или менее равномерно распределяется по всей сети. Более того, сильнее всего напрягаются радиальные нити (как правило, со стороны, противоположной повреждению), а они прочнее и потому от такого напряжения страдают редко.

Ну и, наконец, самый примечательный факт. Если менять отношение упругости радиальных и «спиральных» нитей, то максимальное натяжение в сети сначала быстро спадает примерно вдвое, а затем выходит на некоторое «плато». Так же ведет себя и максимальное натяжение в поврежденных сетях. И плато, на котором дальнейшее увеличение прочности радиальных нитей относительно спиральных перестает заметно влиять на механические свойства сети, начинается со значения порядка 10-20. После этого можно тратить сколько угодно сил на создание все более прочной паутины, а выигрыш в прочности сети окажется минимальным. В сетях настоящих пауков радиальные нити обычно как раз в 10-15 раз прочнее, чем спиральные. Что заставляет еще раз вспомнить, сколько у них было времени на выработку оптимальной конфигурации.