Физика в мире животных: как водомерки бегают по воде
Среди читателей Хабра, вероятно, нет людей, которые никогда не видели водомерок. Это очень распространенное семейство насекомых, которое включает около 1700 видов. Большинство — пресноводные, но есть и виды, которые живут на побережье морей и океанов.
Всю свою жизнь водомерки проводят на поверхности воды. Они передвигаются по ней так же просто, как обычные насекомые — по суше. Водомерки, по крайней мере, большинство видов — хищники. Они питаются мелкими организмами, но не боятся нападать и на более крупную добычу. Иногда ничего не подозревающий малек подплывает к поверхности водоема, и тут же в него всаживается «гарпун» — хоботок водомерки, которая впрыскивает в тело жертвы желудочный сок и начинает всасывать питательные вещества. В общем, неплохой сюжет для нескучного фильма. Но самое интересное в водомерке — ее способность бегать по воде. Каким образом это насекомое получило свою сверхспособность?
Физика и химия — друзья водомерок
В большинстве случаев водомерки держатся на воде благодаря, во-первых, наличию слоя водоотталкивающих жиров на тельце и конечностях, во-вторых, благодаря специальным волоскам на кончиках лапок.
Так, на задних лапках насекомых этих волосков очень много, их количество превышает 16 000 на мм2. На них водомерки опираются, они же служат рулевым механизмом. На средних и передних конечностях волосков тоже много, но не настолько. Волоски водомеркам приходится довольно часто приводить в порядок, поскольку если этого не делать, вода смочит тело водомерки и та утонет.
Предназначение волосков — создать воздушную подушку, на которой и покоится водомерка. Если присмотреться в солнечный день, то можно видеть, как сверкает вода вокруг лапок водомерки — это как раз воздушный «кокон» или, если угодно, воздушная подушка. На дне неглубокого водоема видна тень водомерки — и всегда вокруг лапок тень утолщена, хотя сами лапки вполне обычные — это тень от создаваемой волосками конечностей воздушной подушки.
Кстати, китайские ученые обнаружили интересный факт — время от времени тень от ножки перестает быть четкой, и тогда водомерка прижимает ее к передней части тела, где находятся железы, выделяющие несмачиваемое вещество. После этой процедуры тень от конечности снова становится четкой.
Волоски у водомерок тоже необычные, вдоль каждого из них проходит желобок, что предотвращает проникновение воды — она не может просочиться в столь малый объем. Угол соприкосновения воды с поверхностью конечностей водомерки составляет около 168 градусов, что предотвращает смачивание лапок.
Некоторые виды водомерок передвигаются и при помощи «химического двигателя». В задней части тела насекомых есть специализированная железа, которая выделяет жироподобное вещество. Оно изменяет силу поверхностного натяжения, снижая ее. В результате водомерка движется вперед уже благодаря действию уже законов физики. Водомерка скользит в создаваемой ею водной «лунке». Когда нужно выйти на берег, то выделение гидрофобного вещества снижается, и водомерка выбирается при помощи капиллярных сил.
Режим передвижения водомерок
Насекомые эти получили свое русское название из-за того, что передвигаясь, они как бы «меряют» пройденное по воде расстояние. Но, как оказалось, это лишь один режим передвижения водомерки — так она поступает, когда не испугана и не преследует жертву, а просто передвигается по поверхности воды.
Большинство видов попеременно опираются на три конечности, перемещая остальные три вперед, и повторяя этот цикл.
В моменты опасности или преследования добычи водомерка как бы втыкает в поверхность воды кончики средних лап, на которых не так много волосков, рулит задними, а передними — загребает воду. Единственное — передние лапки все же не погружаются в воду, а отталкиваются от поверхности воды.
Ну и последнее — водомерки умеют прыгать на воде. Не очень далеко, но это все же прыжки. Прыгают они в случае опасности — за этим можно наблюдать, если попробовать накрыть водомерку ладонью на воде. Спасаясь, она будет не только «грести», но и прыгать, причем довольно активно.
К слову, если изменить плотность воды вокруг водомерок — например, при помощи поверхностно-активных веществ (ПАВ), то водомерки потонут. Именно поэтому их нет в местах сброса в воду отходов производства — последние изменяют свойства воды и водомерки (да и не только они) не могут жить в подобных местах.
Водомерки приносят пользу науке
Группа китайских ученых разработала сверхточный метод измерения силы Архимеда. Идея пришла в голову сначала одному китайскому физику по имени Юй Тянь (Yu Tian) из университета Цинхуа в Пекине
Ученый в солнечный день отправился к берегу пруда в одном из парков столицы Китая. Там он смотрел на воду и заметил водомерок, которые отбрасывали тень. Как и говорилось выше, тень от их лапок была отличной от конфигурации кончиков конечностей.
Ученый понял, что это вызвано искривлением воды под действием веса водомерки, сколь бы небольшим он ни был. И тогда он понял, что при помощи теней, отбрасываемых объектами на поверхности воды, можно измерять силу Архимеда, причем эти измерения сверхточные. Граница чувствительности метода — 1 пиконьютон.
«Геометрия тени, которую отбрасывает на воду объект, позволяет очень точно вычислить искривление поверхности воды под ним, и, соответственно, определить объем этой «лунки» и вычислить силу выталкивания, используя закон Архимеда. Все это можно измерить, используя фонарик, прозрачный сосуд, воду и простую камеру», — заявил ученый.
Еще и роботы
Результаты наблюдения китайского ученого помогли его команде разработать концепцию робота-водомерки. На данный момент таких устройств создано несколько, причем одно из них умеет даже прыгать по поверхности воды, как настоящая водомерка.
Первыми создателями робота-водомерки была команда School of Chemical Engineering and Technology. Разработчики использовали как результаты наблюдений коллег, так и собственные исследования.
Затем был создан еще один робот, вес которого составлял много больше, чем у водомерки — 11 граммов вместо долей грамма. Он способен передвигаться по воде и делает это довольно быстро — вплоть до 5 км/ч, что сравнимо со скоростью ходьбы взрослого человека.
Ну и еще один показательный пример — робот-водомерка, созданный объединенной командой исследователей из Южной Кореи и США. Этот робот очень сильно напоминает водомерку, размер его составляет около 7 см вместе с «лапками».
Он не только передвигается по поверхности воды, но еще и прыгает, причем довольно высоко.
Область применения роботов-водомерок — поисково-спасательные операции, изучение физико-химических свойств воды, мониторинг загрязнений и т.п.
