Краб который испаряет воду

Механизм генерации плазмы раками-щелкунами воспроизвели с помощью 3D-печати

Xin Tang and David Staack / Science Advances, 2019

Раки-щелкуны известны своей способностью издавать с помощью клешни крайне громкий звук, используя кавитационный механизм, во время которого в воде появляются воздушные пузырьки с образующейся в них плазмой. Американские ученые создали 3D-печатный аналог клешни, воспроизводящий этот механизм. Тесты искусственной клешни показали, что ее эффективность создания кавитации выше, чем у некоторых других методов, рассказывают авторы статьи в Science Advances.

Раки-щелкуны представляют собой семейство ракообразных, характерная особенность которых заключается в неравномерном строении — они имеют две клешни, одна из которых гораздо больше второй и ее размер может превышать даже размер тела. Такая клешня необходима раку-щелкуну для охоты, во время которой он практически мгновенно сжимает ее и тем самым издает крайне громкий звук (более 200 децибелл), способный оглушить добычу или даже убить небольшую рыбу. Изучение механизма работы клешни показало, что во время движения она создает кавитационные пузырьки в воде, которые направляются в сторону добычи. При схлопывании этих пузырьков температура в них поднимается до пяти тысяч кельвинов, что приводит к кратковременному образованию плазмы и вспышке видимого излучения.

Синь Тан (Xin Tang) и Дэвид Штаак (David Staack) из Техасского университета A&M создали модель клешни рака-щелкуна и смогли воспроизвести кавитационный механизм образования плазмы и излучения во время ее сжимания. Авторы создали высокоточную масштабную модель клешни рака с помощью рентгеновской микротомографии, а затем распечатали на 3D-принтере две пластиковые части, аналогичные половинам клешни, но увеличенные в размере в пять раз. Авторы создали установку, в которой к этим частям присоединена скручивающая металлическая пружина, выступающая в качестве аналога мышц у рака-щелкуна. Установка оснащена спусковым механизмом, позволяющим освободить пружину и сжать клешню.

Строение большой клешни рака-щелкуна

Xin Tang and David Staack / Science Advances, 2019

Схема модели клешни

Xin Tang and David Staack / Science Advances, 2019

Также съемка с камеры позволила измерить скорость частей клешни и распространения кавитационной полости. Выяснилось, что максимальная скорость движения конца малой части клешни составляет 20,9±2,6 метра в секунду, а скорость распространения фронта кавитации составляет до 37,4 метра в секунду. Эти измерения позволили рассчитать число Рейнольдса для распространения кавитационной полости, которое составило до 1,23×10 5 , а также число кавитации (аналог числа Эйлера), которое составило до 0,3. Авторы отмечают, что полученные характеристики сравнимы с характеристиками, наблюдаемые у настоящих раков. Кроме того, измерения с помощью шлирен-метода показали, что ударная волна от схлопывающейся кавитационной полости распространяется со скоростью звука в воде (1487,9±39,7 метра в секунду).

Ученые попробовали обнаружить свечение во время схлопывания кавитационной полости. Измерения с помощью ПЗС-матрицы и фотоэлектронного умножителя позволили зарегистрировать слабоинтенсивный сигнал длительностью около 13–14 наносекунд, возникающий во время первого схлопывания кавитационного пузырька. Наконец, расчеты показали, что эффективность преобразования энергии пружины в потенциальную энергию кавитации составляет около 36 процентов, что выше, чем, к примеру, у лазерной кавитации. Авторы работы считают, что более пристальное изучение механизма и усовершенствование конструкции может позволить создать эффективное устройство для генерации плазмы для некоторых применений.

Непропорционально большой клешней также известны самцы манящего краба (Uca mjoebergi). Они используют ее для охоты, а также для привлечения самок во время брачного ритуала, при котором они помахивают клешней. В прошлом году австралийские ученые так же использовали искусственную модель клешни и выяснили, что самки предпочитают самцов, способных быстро двигать клешней, а также ускорять темп движений.

Источник

Рак-богомол — самая сногсшибательная тварь на дне океана

Он умеет нагревать воду до температуры поверхности солнца. Он видит в четыре раза больше цветов, чем мы. Его клешни — два заряженных арбалета с мощностью как у огнестрельного оружия. Он обитает на дне океана, и именно из-за таких тварей человечеству там нет места. Мы знаем его под именем «рак-богомол», и это — самая поразительная (после человека) тварь, которая водится на нашей планете.

Это — рак-богомол (Stomatopoda), уникальное существо во многих смыслах

Например, второе название рака-богомола — креветка-богомол. Но на самом деле он не является ни раком, ни креветкой, ни богомолом. Это живое ископаемое — отдельный вид ротоногого. Причем агрессивный и довольно опасный.

Обитает он на небольшой глубине в тропических и субтропических морях. Причем этот рак обладает отличной памятью и способен запоминать особей, которые живут рядом с ним. Соседей он отличает как по визуальным признакам, так и по запаху.

Но это — далеко не самое интересное про рака-богомола.

Глаза, которые видят все

Если человек может различать 3 основных цвета, то рак-богомол видит 12, то есть на 9 больше, чем мы. Представьте себе цвет, который нельзя представить, потом проделайте это еще 8 раз. Впрочем, справедливости ради, рак-богомол плохо различает цвета, которые видит человек.

К тому же, рак-богомол воспринимает ультрафиолетовый и инфракрасный свет, а также видит разные виды поляризации света: как линейную, так и круговую.

Минутка занимательной физики. Ультрафиолетовое излучение (как и инфракрасное) для нас более-менее знакомо: вот есть световой спектр из 7 цветов радуги, а вот есть еще два излучения за пределами спектра, с обеих его сторон. И эти излучения человеческий глаз уже не видит, они называются ультрафиолетовым и инфракрасным светом.

А вот с поляризацией все не так просто.

Человек чувствителен к окраске (длине волны) и яркости света. Но третья, не менее важная характеристика, поляризация, для нас вообще недоступна. Поляризация — это колебания световой волны в пространстве. Чтобы понимать, что это такое, представьте себе натянутый канат, на котором «лежит» свет. Если мы с одной стороны потрясем канат, то свет по инерции пойдет волнами. Такие колебания будут называться линейными.

А если мы встряхнем канал круговыми движениями, то волны света, двигаясь вперед, начнут описывать круги. Это — поляризация круговая.

Все это существует рядом с нами, а мы не видим! А рак-богомол видит!

В целом, поляризация света — явление, при котором из «общего» света «убираются» все лишние электромагнитные волны, и остаются лишь те, что лежат в области поляризации. Увидеть поляризованный свет человеческий глаз не способен, но с самим эффектом поляризации мы сталкиваемся каждый день: используя антибликовые линзы в солнцезащитных очках или фильтры для фотоаппаратов.

Также человек, например, обладает бинокуляным зрением: наши глаза создают две картинки (по изображению на каждый глаз), которые объединяются в единую. А вот глаза рака-богомола видят 3 изображения сразу! Каждый! Итого — 6 картинок одновременно. Можно сказать, что рак-богомол обладает секстакулярным зрением.

Такие суперменские глаза позволяют ракообразным распознавать различные типы кораллов, добычи и хищников.

Поразительная мощь удара

Это удивительно красивое животное опасно настолько же, насколько и красиво.

Раки-богомолы бывают двух видов: «хвататели» и «атакователи».

Первые имеют невзрачный вид и живут в песке. Они ловят то, что проплывает у них над головой. Такой рак — обладатель нескольких пар хватательных ног (чтобы вспомнить, как они выглядят, представьте себе передние лапки богомола). Причем первая пара хватательных ног — самая большая и напоминает перочинный ножик. Именно ей рак-богомол ловит свою добычу, а остальными ногами старается ее удержать. Жертва, попавшая в такие «объятия», почти не имеет шансов вырваться.

Вторые раки, «атакователи», из-за своего красочного внешнего вида официально называются павлиновыми. А неофициально — «thumb splitters», что в переводе значит «разрыватели пальцев». Вообще, любые раки-богомолы очень агрессивны, но эти, сочтя другое животное опасным или подозрительным, атакуют жертву резким мощным ударом ног, сила которого сравнима с попаданием пули 22 калибра!

При этом наш подводный Мохаммед Али бьет с такой мощью, что буквально разрывает воду при ударе. На месте щелчка клешней образуется так называемый кавитационный пузырь: область, наполненная раскаленным паром и выделившимся из разорвавшейся воды газом. Температура этих пузырей сравнима с температурой на поверхности солнца! Они буквально светятся в темноте.

Этот пузырь моментально лопается, после чего образуется мощная ударная волна, которая сама по себе может убить жертву. Во время удара клешня движется под водой со скоростью 72 километра в час, так что охотничий бросок раков-богомолов официально признан самым быстрым среди всех животных.

Некоторые аквариумисты в погоне за экзотическими питомцами опрометчиво заводят себе раков-богомолов. До первого пробитого аквариума.

Раков-богомолов не смущает, что жертва гораздо больше их самих или если это другое ракообразное с мощным панцирем. Первым ударом ротоногое оглушает жертву, а повторными добивает ее. Более того, рак-богомол — чуть ли не единственное ракообразное, способное преследовать добычу, и если даже животное промахнулось при атаке в первый раз, жертве несдобровать.

Секрет такой скорости и огромной силы заключается в особом строении охотничьих лапок раков-богомолов. Эти животные используют так называемый «механизм защелки»: их лапки содержат большой мускул, который очень долго сокращается, и защелку, которая сдерживает этот самый мускул. А в момент удара защелка открывается, и мускул расправляется с огромной скоростью — получается что-то вроде выстрела из лука или арбалета.

Также на охотничьих лапках раков-богомолов обоих разновидностей есть хитиновая структура в виде седла. Эта структура имеет сложное название: гиперболическая параболоида или седловая (антикластическая) поверхность. И до недавнего времени человечество считало, что изобрело ее именно оно (впрочем, ошибочно).

Гиперболическая параболоида известна инженерам, архитекторам и ювелирам как очень прочная поверхность: изогнутая с обеих сторон, она распределяет давление равномерно по всей поверхности. А еще она известна любителям чипсов.

Это очень простая, но в то же время поразительно прочная форма, которая в случае с раками-богомолами усиливает эффект пружины: разжимаясь, придавая удару максимальную силу.

Почему же лапы рака-богомола не снашиваются и не разбиваются? Секрет их прочности в содержании минерала гидроксиапатита, амортизирующего силу удара. Этот минерал содержится и в человеческом теле: в зубах и костях. Именно благодаря нему наши кости такие прочные. Но у рака-богомола волокна гидроксиапатита уложены спиралью, что делает поверхность «кулаков» максимально крепкой и не позволяет микроскопическим трещинам перерастать в разломы. Эта структура называется структурой Булигана и не имеет аналогов в животном мире.

Жутковатое «пение»

Однажды ученые поместили в аквариум с раками-богомолами микрофоны и неожиданно для себя зафиксировали необычные звуки, напоминающий рев динозавров. Произошло это относительно недавно, так что биологи до сих пор точно не знают, как почему и зачем животные «поют», а главное — чем издают эти звуки.

Но звучат они откровенно пугающе.

Другие тексты Саши Рауш о мире животных можно прочитать на ее Telegram-канале Viridi Green.

Источник

Рак-богомол создает ударную волну с температурой поверхности Солнца

Красочное, сравнительно небольшое существо, размером до 20 сантиметров, имеет такую силу в своих клешнях, что бьёт ими с силой, равной силе выпущенной пули 22 калибра.

Работающая как пружина клешня рака-богомола вылетает с силой удара более 150 килограмм. К слову, это более, чем в 2,5 тысячи раз больше веса самого рачка.

Неудивительно, что они с легкостью пробивают толстостенные стеклянные аквариумы, если вдруг в них окажутся. Поэтому, если и содержать этого красавца (а он действительно внешне очень яркий и красивый), то только в специальных пластиковых аквариумах с повышенной прочностью.

А скорость этого выбрасывающегося орудия более 80 км/ч. Но длится он молниеносно. За время, пока мы моргаем один раз, рак-богомол может успеть сделать 500 своих ударов. Но ему так много не надо — достаточно одного-двух ударов, чтобы разделаться со своей жертвой.

Раки буквально взрывают моллюсков. Только представьте, что во время выброса клешни нагревается вода и даже образуется пузырек пара. Такой пузырь называется кавитационным.

Лопаясь, этот пузырек создает горячую ударную волну. Её температура сравнима с температурой поверхности Солнца — это 4500 градусов по Цельсию! При этом можно наблюдать и вспышку света.

Бедный моллюск, которого хочет на обед рак-богомол, сначала чувствует удар клешни, а затем и взрыв кавитационного пузыря.

Сила и скорость удара клешни рака-богомола делают его самым сильным и быстрым животным. Возможно, что и самым горячим!

Было интересно? Ставьте лайк, переходите на канал «Шарлотка из науки» и читайте другие статьи.

Источник