Морская губка умудрилась воссоздать «колонну Клаузена»

Москва, 18:05, 07 Янв 2017, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Оранжевая морская губка (Tethia aurantia) может не показаться образцом прочности конструкции, но она вынуждена поддерживать свою форму в глубинах океана, и новое исследование показывает, что крошечные структурные стержни в телах губок приобрели оптимальную форму, во избежание выпучивания губки под давлением.

Стержни-спикулы размером около 2 миллиметров в длину и тоньше, чем человеческий волос. Сотни из них сгруппированы вместе, образуя жесткие реброподобные структуры внутри губчатого тела оранжевой губки. Удивительно последовательная форма этих стержней попалась на глаза инженерам. Каждый из них симметрично заужен по всей длине — толще в середине и тоньше на концах.

С помощью моделей строительной механики ученые выяснили, что такая форма является оптимальной для сопротивления изгибу — основному виду отказа для тонких структур. Эта естественная форма может послужить моделью для повышения сопротивления деформациям во всех видах человеческих строений — от колонн здания до спиц велосипеда, утверждают исследователи.

Оранжевые губки живут в Средиземном море в скалистой прибрежной среде, где они подвергаются постоянным нагрузкам от подводных волн и приливных сил. Губки работают как фильтры — они качают воду через свои органы, чтобы извлечь питательные вещества и кислород. Чтобы сделать это, их тела должны быть пористыми и податливыми, но им также нужна достаточная жесткость, чтобы не слишком деформироваться.

И это означает, что спикулы, которые составляют реброподобные структуры, придающие губкам их жесткость, являются важнейшими компонентами.

Основной режим отказа для подобных конструкций возникает за счет потери устойчивости при механических нагрузках. При некоторой критической нагрузке, элемент конструкции начинает где-то сгибаться вдоль своей длины. Как только начинается изгиб, возникает изгибающий момент, который ломает или выворачивает элемент.

В 1851 году немецкий ученый Томас Клаузен предложил, что колонны, которые имеют коническую форму, на их концах должны иметь больше сопротивление изгибу, чем простые цилиндры, которые были и остаются основной конструкцией для архитектуры. В 1960-х годах математик Жозеф Келлер опубликовал неоспоримое математическое доказательство, что «колонна Клаузена» была действительно оптимальной для сопротивления на изгиб, обладая на 33 процента лучшей стойкостью, чем цилиндр.

После точных измерений спикул оказалось, что их очертания были практически идентичны колонне Клаузена.

Похоже, в этом случае, естественный отбор самостоятельно «догадался» о том, что современные инженеры практически не применяют на деле. Несмотря на то, что математически доказана оптимальная форма колонны, профиль Клаузена не слишком известен в профессиональном инженерном сообществе и, возможно, это исследование сможет вывести его из тени.