Si disparar flechas desde una ballesta a cubos de gelatina balística no le parece ciencia biológica, tiene mucho que aprender del profesor de biología animal de la Universidad de Illinois, Philip Anderson, quien hizo exactamente eso para responder una pregunta fundamentalsobre cómo los animales usan sus colmillos, garras y tentáculos para pinchar a otros animales.
Anderson realizó el estudio con Jeffrey LaCosse, de la Escuela Secundaria Charles E. Jordan en Durham, Carolina del Norte, y Mark Pankow, de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh.
Al medir cuán profundamente una flecha, ponderada para alterar su masa entre pruebas, penetraba un cubo de gelatina densa cada vez que se disparaba desde una ballesta, los investigadores descubrieron que la energía cinética de la flecha era el mejor predictor de su capacidad para penetrarsu objetivo
Informaron sus resultados en el diario de la Royal Society Enfoque de interfaz .
El estudio es el primer paso de un esfuerzo por comprender cómo la naturaleza, "roja en dientes y garras", como escribió el poeta Alfred Tennyson, usa dientes, garras, tentáculos e incluso herramientas para capturar alimentos o defenderse de un enemigo, competidoro depredador
"Hay muchos animales que tienen que pinchar para sobrevivir", dijo Anderson.
"Tienes serpientes que pinchan con sus colmillos durante los ataques para inyectar veneno. Algunos camarones mantis, un grupo de crustáceos marinos, usan sus apéndices muy rápidos y con amplificación de potencia para arrancar cosas como peces de la columna de agua y tirarlos hacia abajoen sus madrigueras para alimentarse "
Las criaturas marinas punzantes como el buque de guerra portugués también perforan a sus presas, pero su aparato de perforación es microscópico, dijo Anderson.
"Pican usando órganos unicelulares en sus tentáculos llamados nematocistos, que son básicamente pequeños arpones hidrostáticos y presurizados que inyectan veneno", dijo.
La velocidad de estos eventos de perforación también varía ampliamente. Un golpe de serpiente ocurre a aproximadamente 3 metros 9.8 pies por segundo. Los camarones mantis pueden arponar presas a unos 7 metros 23 pies por segundo. Y algunas pinchazos en la mandíbulasus presas o enemigos cerrando sus mandíbulas a velocidades de hasta 60 metros por segundo.
"Eso es más de 130 millas por hora", dijo Anderson.
Los investigadores quieren saber cómo estos y otros organismos han resuelto el problema de la punción por sí mismos; esperan determinar si algunos principios universales están en juego.
"Lo que es realmente genial desde el punto de vista evolutivo es que no es frecuente que tengas la capacidad de observar sistemas biomecánicos en una gama tan amplia de animales que intentan lograr un rendimiento similar", dijo Anderson.
Cuando se ralentiza a una velocidad comprensible, el proceso de punción es bastante complejo. Primero, un objeto lo llamaremos flecha debe golpear un objetivo con suficiente energía para iniciar una grieta en la superficie del objetivo. El impacto crea estrésLas ondas, que se mueven a través del material objetivo de manera similar a como las ondas sonoras se mueven a través del aire, dijo Anderson. Estas ondas interactúan con los bordes del objetivo, creando deformación.
Después del impacto inicial, la flecha debe abrir una nueva área de superficie dentro de su objetivo, rompiendo enlaces moleculares y superando la fricción para penetrar más profundamente en el objetivo.
"El material objetivo acumula energía elástica a medida que se deforma. En cierto punto, la energía elástica en el material hace que empuje hacia atrás contra la flecha", dijo Anderson. "Si la energía elástica es lo suficientemente grande, puede expulsar elflecha. Este rebote ocurrió en aproximadamente la mitad de las pruebas de ballesta ".
La forma de la flecha, su masa y velocidad también juegan un papel, al igual que la composición del objetivo.
En los experimentos de Anderson, el objetivo era un cubo de gelatina balística de 4 pulgadas, que a menudo se usa en estudios balísticos para simular la densidad del tejido humano.
Al disparar la flecha ponderada en numerosos objetivos idénticos y calcular la velocidad de cada disparo y la profundidad de penetración de la flecha, los investigadores descubrieron que la energía cinética de la flecha era el mejor predictor de la penetración del objetivo.
La energía cinética es igual a la mitad de la masa del objeto multiplicada por la velocidad al cuadrado: energía cinética = ½ masa x velocidad 2
La masa de un objeto y su velocidad velocidad son fundamentales para su energía cinética. El hecho de que la velocidad sea cuadrada multiplicada por sí misma significa que un aumento en la velocidad aumentará la energía cinética de un objeto mucho más que un aumento comparable enmasa.
"Esto significa que una forma potencial para que los animales pequeños pinchen y atraviesen materiales duros, incluso con una masa baja, es aumentar su velocidad", dijo Anderson. "Y si miras a través de los animales esa perforación, parece que ellos más pequeños tienden a ser más rápidos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :