Když se mravenec chytí do pasti larvy mravkoleva, čeká ho boj o holý život. Pokud chce přežít, musí se vyšplhat po zrnitém šikmém povrchu z kuželové díry, kterou na něj mravenčí predátor nachystal. Který mravenec má nejmenší šanci uniknout? Tímto problémem se nedávno zabývala skupina francouzských fyziků, a nešlo o žert, ale seriózní výzkum z oblasti zákonů fyziky tření, který by mohl přinést řadu užitečných aplikací.
Fyzici přišli na to, že nejhůř jsou na tom mravenci střední velikosti, pokud spadnou do díry, která má kuželovitý tvar a centimetrový průměr. Středně velký mravenec je podle nich dostatečně těžký na to, aby deformoval písčitou stěnu díry, ale ne dost těžký pro to, aby si vytvořil dostatečně pevné stopy, po kterých se dostane ven – místo toho klouže zpět na dno jamky.
Už v 17. století formuloval francouzský fyzik Guillaume Amontons tři zákony tření, které jsou dodnes považovány za platné. První z nich říká, že síla tření, kterou pociťuje objekt ležící na nějakém povrchu, je úměrná gravitačnímu působení, to znamená jeho hmotnosti. Nejnovější výzkum francouzských fyziků však ukázal, že závislost tření na hmotnosti je pro malé objekty na zrnitých površích daleko komplikovanější, než by se mohlo předpokládat.
Aby tyto závislosti mohli změřit, naplnili vědci nádobu skleněnými korálky různých velikostí. Pokaždé naklonili nádobu tak, aby korálky vytvořily povrch se sklonem, při kterém se v horách nejsnadněji spustí lavina. Pak na zrnitý povrch položili malý kotouček uzavřený v krabičce a zaznamenávali, jak snadno sklouzne dolů. Tento experiment opakovali mnohokrát s různě těžkými kotoučky a různými typy povrchů, které jsou s kotoučkem v kontaktu.
Jak se dalo předpokládat, pravděpodobnost, že kotouček sklouzne, roste se strmostí povrchu. Překvapivější však bylo zjištění, že sklouznutí závisí také na hmotnosti kotoučku, tedy na tlaku. Fyzici zjistili, že nejvyšší pravděpodobnost sklouznutí vzniká při určitém úhlu a střední hodnotě tlaku.
Aby pochopili, proč k této anomálii dochází, fotografovali vědci stopy, které kotouček zanechává v zrnitém povrchu. Velmi malý kotouček nesklouzne, a proto nezanechá žádnou stopu. Kotouček střední hmotnosti zanechává stopu, která je tím zřetelnější, čím větší je hmotnost kotoučku. A do třetice nejhmotnější objekty sice zanechávají stopu, ale protože se vzhledem k velkému tlaku do povrchu zaryjí, vytvoří bariéru a dále už klouzat nemohou.
Francouzští fyzici a jejich kolegové toto chování popsali také matematicky. Při studiu počátku skluzu u malých hmotností předpokládali, že korálky těsně pod kotoučkem fungují jako tlumicí pružiny a když vertikální síla, která na ně působí, překročí určitý práh, zrnitý povrch se destabilizuje. Pro větší hmotnosti však navrhli vztah popisující závislost odporové síly, kterou na kotouček působí nahromaděné korálky. S jeho pomocí pak spočítali tlak, při kterém se klouzání zastaví.
Fyzici provedli navíc zvláštní experiment, ve kterém použili senzor pro měření síly tření působící na objekt, jenž se pohybuje po horizontálním zrnitém povrchu. Ve shodě s experimenty s nakloněným povrchem zjistili, že nejnižší je koeficient tření pro objekty s malým (ale ne velmi malým) tlakem. Zúčastnění fyzici poukazují na to, že předcházející studie tření na zrnitých površích žádný takový pokles koeficientu tření nezjistily, i když se prováděly pro větší hmotnosti.
Výsledky této práce aplikovali fyzici do reálného světa. Porovnali své výsledky s údaji, které publikovali pracovníci CNRS Insect Biology Research Institute in Tours. Ti se už dříve ve výzkumu soustředili na to, který druh mravenců se nejsnadněji chytí do pasti larvy mravkoleva. Brali přitom primárně v potaz různé velikosti mravenců – největší mravenci měli hmotnost 8 mg. Podle biologů jsou nejsnadnější kořistí mravenci o hmotnosti kolem 2 mg. Dřívější výzkum tak koresponduje s novými výsledky od francouzských fyziků, podle kterých jsou nejzranitelnější jedinci střední hmotnosti.
Nový výzkum hodnotí velmi pozitivně američtí biomechaničtí experti. Podle nich jde o zcela novou fyziku zrnitých povrchů. Výzkum může mít řadu praktických aplikací, například by mohl pomoci vyladit pohyb robotů po zrnitých površích na Zemi nebo také výzkumných sond ve vesmíru.
Původní práce byla uveřejněna v Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Satelity
pomáhají předpovídat sopečné erupce
Číňané
zlomili rekord v délce kvantového provázání
Difundující
atomy
Záhadná
magnetosféra Uranu