Физики объяснили форму шипов розы

В природе немало растений с иглами и шипами, предназначенными прежде всего для защиты от травоядных животных, но розы стоят особняком среди этого тернистого многообразия — их колючки уплощенной формы. В геометрии шипов розы разбирались физики Датского технического университета, своими открытиями они поделились на страницах Journal of the Royal Society Interface.

«Я уже несколько лет занимаюсь физикой прокола и резания, черпая вдохновение в книге Макмагона и Боннера “О размере и жизни”, вышедшей в 1983 году. Книга старая, но в ней приведены прекрасные примеры, как физика может ограничивать функциональность как технических, так и живых систем. Особенно элегантны, на мой взгляд, анализ соотношения длины и диаметра стальных гвоздей и выводы о зависимости скорости гребли от числа гребцов. Мы же просто хотели понять, почему у шипов розы овальное сечение», — говорит биофизик Кааре Х. Йенсен, руководивший исследованием.

Изучая различные колючки, встречающиеся в природе, он заметил, что шипы роз заметно отличаются от шипов многих других растений — в разрезе они похожи на лезвия, а у большинства растений это круглые иглы.

«Круглые стержни — такие, как гвоздь или игла, — хороши для прокалывания. Поэтому, если их задача состоит лишь в защите растения, нет причин отказываться от круглых колючек. Меня это удивило», — признается исследователь.

Для эксперимента изготовили множество силиконовых колючек разной формы, закрепляли на манипуляторе, и он проводил ими по застывшему желатину.

«Мы разработали простой эксперимент, чтобы проверить, как эффективность колючки зависит от ее формы. Мы двигали их в желатине с помощью маленького робота, который имитировал движение животного относительно стебля розы. Оказалось, что овальные шипы лучше подходят для разрезания (а возможно, и для цепляния растения за опору). Они эффективнее круглых, которые при сдвиговой нагрузке склонны изгибаться или терять устойчивость», — объясняет Йенсен.

Расчеты показали, что в соотношении сторон поперечного сечения шипа розы 2,7±0,7 природа нашла компромисс между максимальным ущербом, который поучит порезавшийся агрессор, и прочностью оружия — более плоские колючки гнулись или ломались.

«Мне нравятся эксперименты, которые проверяют границы биологических конструкций. Легко заявить, что тот или иной признак теоретически оптимален. Я и многие другие делали это раньше. Но количественно оценивать в лаборатории эффективность заведомо неоптимальных решений — это, пожалуй, даже увлекательнее и познавательнее», — полагает ученый.

Полученные результаты помогут в разработке искусственных колючек для конкретных задач — например, в медицине, сельском хозяйстве, промышленности, а также в робототехнике, где требуется разрезание мягких материалов.

«Мне по-прежнему интересна форма колючек. Одна из областей, которая кажется мне перспективной, — это влияние многократного использования. Как меняется форма из-за износа? Мы недавно провели такую работу на модели карандашей, и я бы хотел попробовать аналогичные эксперименты с биологическими образцами», — заключил Йенсен.

Иглы морского ежа вдохновили ученых на создание подводных датчиков

Математики объяснили общую форму кончиков когтей, клыков и карандашей

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX