El mundo natural está lleno de criaturas que difieren en su inusual método de movimiento, apariencia, preferencias gastronómicas, comportamiento, etc. Por supuesto, no hay nada inusual para ellos, porque todo esto es el resultado de cientos de miles de años de evolución encaminados a la supervivencia de la especie en condiciones ambientales en constante cambio. Lo que es necesario para un animal se convierte en objeto de investigación e inspiración para nosotros en desarrollos utilizados en una variedad de industrias, desde la medicina hasta la robótica. Entonces, los científicos del Instituto de Tecnología de Georgia (EE. UU.) Decidieron realizar un análisis detallado de la trompa del elefante, con la ayuda del cual el gigante herbívoro puede beber y recolectar alimentos. ¿Qué le sucede a la trompa cuando el elefante bebe? ¿Qué fuerza utiliza cuando levanta objetos pequeños?y donde se pueden aplicar los datos obtenidos? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos. Ir.
Base de investigación
Aunque los elefantes son los mayores propietarios de una trompa, están lejos de ser los únicos. Mariposas, tenias, sanguijuelas, chinches, tapires, elefantes marinos, etc. - todos tienen algún tipo de baúl. En varios casos, el tronco sirve como órgano de tacto, nutrición e incluso protección.
Para los elefantes, la trompa, formada por la nariz y el labio superior, es una especie de "cuchillo suizo". Con su ayuda, recolectan agua (que luego se vierte en la boca), recogen pequeños objetos, arrancan frutos, respiran al cruzar cuerpos de agua, usan en comunicación con sus familiares, etc.
Imagen # 1
Un elefante africano ( Loxodonta africana) consume más de 200 kg de vegetación al día, dedicando unas 18 horas al día a recolectar hierba, hojas, frutos y corteza de árboles ( 1a ).
Lo más sorprendente es que la trompa de un elefante puede pesar unos 100 kg, pero el elefante puede levantar fácilmente un objeto pequeño y frágil del suelo sin dañarlo. El secreto de tal precisión radica no solo en la flexibilidad y movilidad del tronco, sino también en el aire que aspira. Los científicos han sugerido que las fosas nasales y los pulmones del animal juegan un papel importante en la forma en que el elefante manipula la trompa. Durante la absorción de agua, también ocurren ciertos cambios debido a la contracción muscular, lo que permite que el elefante reciba más agua de una vez.
El hecho de que los elefantes usen agua y aire como herramientas adicionales para manipular objetos en el medio ambiente fue descrito en 1871 por Charles Darwin. Notó que los elefantes pueden mover objetos fuera de su alcance soplando a través de su trompa. Los elefantes pueden ajustar la duración del golpe en función de la distancia al objeto, e incluso dirigir deliberadamente un chorro de aire a la pared, que luego empujará el objeto más cerca de ellos.
Los científicos señalan que los animales que manipulan objetos con una corriente de líquido suelen vivir en el agua en lugar de en la tierra. Un ejemplo sorprendente son los peces del género Toxotes (pulverizadores), capaces de disparar un chorro de agua a los insectos por encima de la superficie del embalse.
Salpicar en la caza.
Los calamares y los pulpos también disparan agua, pero no para cazar, sino para moverse. Muchas especies de peces usan lo que se llama "alimentación por succión", donde succionan la comida con la boca.
Dada la singularidad de este comportamiento entre las criaturas terrestres, los elefantes y sus trompas requieren estudio, dicen los científicos. Por lo tanto, se llevaron a cabo varias pruebas, durante las cuales los científicos registraron cualquier cambio en la morfología de la trompa del elefante durante la alimentación, la ingesta de agua y la manipulación de pequeños objetos frágiles.
Resultados de la investigacion
Durante las pruebas (14 carreras), el elefante experimental fue alimentado con colinabos cortados en cubos de diferentes tamaños. El agarre del maletero cambiaba según el tamaño y la cantidad de dados ( 1b ). Cuando al elefante se le dieron 10 cubos pequeños (menos de 40 mm), utilizó el extremo tenaz de la trompa sin succión. Si había más de 10 cubos pequeños, entonces el elefante prefería la absorción ( 1c ). Es curioso que los científicos hayan caracterizado el sonido que acompaña este proceso como el sonido de una aspiradora en funcionamiento.
Métodos para recolectar cubos de colinabo pequeños (16 mm) y grandes (32 mm). En el primer caso, hay succión (fíjese en el sonido). En el segundo, no está, ya que los cubos son demasiado grandes.
Curiosamente, durante las pruebas de granos, no se utilizó succión, sino que el elefante trató de agarrar la mayor cantidad de granos posible en un puñado. Lo más probable es que no haya succión para evitar que los granos se atasquen en el tronco.
Luego continuó la comida del elefante con chips (tortilla) para evaluar su interacción con grandes objetos planos. El grosor del chip no supera las 500 micras, por lo que es difícil levantarlo de una superficie plana (se utilizó una plataforma de fuerza). Para romper el chip, debe aplicar una fuerza de 11 ± 2 N (Newton), que es aproximadamente el 1% del peso de la trompa del elefante.
Después del primer contacto, el proceso de subir el chip tomó 3,0 ± 0,2 segundos. El proceso en sí se puede dividir en tres etapas ( 1d y 1e ): acercarse al objeto, buscar el objeto, levantar el objeto.
Atracción de virutas por succión de aire (video ralentizado 5 veces).
Al principio, el elefante no tocó el chip directamente, sino que tocó el borde exterior de la plataforma de fuerza, mientras aplicaba una fuerza de 4 ± 1 N. Durante la fase de búsqueda, se acercó al chip, aplicando una fuerza de 5 N, es decir. 50% de la fuerza necesaria para romper la viruta.
Durante la fase de ascenso se observaron dos comportamientos diferentes. En el primer caso, el elefante aplicó succión a una distancia fija del chip ( 1d ). En el segundo, aplicó succión, presionando el tronco directamente contra el chip ( 1e ). También es curioso que, en cualquier caso, el elefante casi siempre levanta el chip sin dañarlo.
La observación visual de los elefantes, aunque divertida, proporciona muy pocos datos. Por lo tanto, los científicos midieron adicionalmente la presión de succión creada durante las pruebas con agua. Para visualizar mejor el flujo succionado por el tronco, se agregaron semillas de chía al agua. El perfil de flujo parece parabólico, como lo demuestra la mayor distancia recorrida por las semillas de chía en el centro de las fosas nasales ( 2a ).
Imagen # 2 El
gráfico 2c muestra el curso del flujo de líquido en el tronco a lo largo del tiempo, medido a medida que disminuye el líquido en el depósito. Durante tres pruebas, el elefante succionó agua durante 1,5 ± 0,1 s, que corresponde al caudal volumétrico Q w= 3,7 ± 0,3 l / s. Y aquí los científicos nuevamente hacen una comparación extraña (para los estadounidenses esta es una práctica bastante normal): tal flujo volumétrico equivale a 20 descargas de inodoro (no sé cómo tal comparación puede ayudar a evaluar o visualizar la fuerza del flujo, pero okey).
Experimento de succión de agua.
El volumen total de líquido en el maletero fue de 5,5 ± 0,41 litros. Después de la succión de 3 litros, hubo una pausa de aproximadamente medio segundo, momento en el que el caudal fue de 1 ± 1,2 l / s. A continuación, el caudal volvió a aumentar a 4,5 ± 2,1 l / s durante el último medio segundo del ciclo de aspiración. Se observó una dinámica similar durante todas las observaciones. Los científicos sugieren que se necesitan breves pausas durante la absorción para evitar que el agua entre en el esfínter posterior del tronco.
Para un análisis más detallado, fue necesario establecer el volumen interno del tronco (aproximadamente 1,9 m de largo). Para ello, se utilizaron datos de medidas de la sección transversal del tronco. La cavidad del tronco tiene un radio de 1 cm en el extremo distal y 3 cm en el extremo proximal. El volumen estimado del maletero en este caso será de 5,2 litros, que es casi igual al volumen de agua aspirado (5,5 litros). ¿Cómo puede un elefante extraer más agua que su propia trompa? Estudios anteriores han demostrado la presencia de una estructura muscular que se extiende desde las fosas nasales y permite que el tronco se expanda.
Además, los científicos realizaron exámenes de ultrasonido ( 3a) para conocer los límites de la expansión de esta estructura. Las mediciones ecográficas de las paredes del tronco se realizaron bajo tres condiciones: respiración natural, ingesta de agua e ingesta de agua de salvado.
№3 imagen
en imagen 3c y 3d se observa que los músculos radiales contraen cuando elefante sacó agua del salvado.
Examen de ultrasonido de la pared nasal de un elefante durante la absorción del salvado. La flecha roja marca el borde entre el líquido y la pared nasal.
El radio inicial del tronco y la fosa nasal es de 7,5 y 1,5 cm, respectivamente. En consecuencia, el espesor de la pared del tronco investigado es 6 cm.When agua fue absorbida en, el espesor de pared se redujo a 5,7 cm, y cuando se absorbe agua con salvado, hasta 5,6 cm.It
se encontró que el radio de la ventana de la nariz durante la absorción de aire, agua y agua con salvado fue: 1,5 ± 0,2 cm, 1,8 ± 0,2 cm y 1,9 ± 0,2 cm, respectivamente ( 3e ). Así, los valores del radio durante la absorción de agua y agua con salvado aumentaron un 18% y un 28%, respectivamente.
Si asumimos que el radio aumenta a lo largo de toda la longitud del tronco, entonces el volumen interno del tronco aumenta en un 40% para el agua y en un 64% para el agua de salvado.
Sin embargo, cada sistema tiene su límite. Los científicos han creado un modelo matemático para calcular la distancia efectiva para la alimentación por succión ( 2d ). El modelo nos permitió establecer la presión máxima utilizada en experimentos con agua y la distancia máxima del chip a la que el elefante puede levantarlo mediante succión.
En experimentos con agua, la velocidad promedio del agua (u w ) en el tronco es la tasa de flujo dividida por el área de la sección transversal de las fosas nasales: Q w / (2πa 2) ∼ 2,7 m / s, donde a = 2,1 cm es el radio de la fosa nasal. La presión máxima se observó al final del ciclo de succión, cuando el agua alcanza su máxima velocidad y altura en el tronco. Al calcular el número de Reynolds * del flujo dentro de la fosa nasal, puede averiguar si el líquido está experimentando turbulencias.
Número de Reynolds * : la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas de fricción viscosas en líquidos y gases viscosos.El número de Reynolds para el transporte de agua a través de la tubería es Rew = 8.1 x 10 4 , y el número de Reynolds para el aire es 4.2 x 10 6 . Dado que estos números de Reynolds son superiores a 4000, la ley de Bernoulli * se puede utilizar como aproximación . Como resultado, se encontró que la presión aplicada era de -20 kPa.
Ley de Bernoulli * : si la presión del fluido aumenta a lo largo de la línea de corriente, el caudal disminuye y viceversa.Si se aplica la misma presión durante la succión del chip, entonces la velocidad del aire es de 150 m / s. Los cálculos también muestran que la distancia a la que un elefante puede atraer objetos de manera efectiva depende linealmente del tamaño de la fosa nasal. Por lo tanto, un objeto con una masa más pequeña o un área más grande se puede absorber de manera eficiente y a una distancia mayor que durante los experimentos con chips.
En los experimentos, la superficie del chip era de 113 cm 2 y la masa era de 10 g. Teniendo en cuenta la aceleración de la gravedad (en los cálculos era de 9,81 m / s 2 ) y la presión calculada (-20 kPa), los científicos encontraron que la altura máxima de succión efectiva es de 4,6 cm.
El aspecto más importante que afecta la eficacia de la succión es la presión en los pulmones del elefante. Los elefantes pueden crear una alta presión en sus pulmones debido a su sistema respiratorio especializado. Una red extensible de fibras de colágeno llena el espacio pleural, conectando libremente los pulmones a la pared torácica, sin restringir el movimiento pulmonar en relación con la pared torácica ( ¿Por qué un elefante no tiene cavidad pleural?, John B. West, 2002).
Es esta característica anatómica la que permite que se generen corrientes de aire a una velocidad tan alta. Además, la fascia endotorácica * en los elefantes es ocho veces más gruesa que en los humanos, conejos, ratas y ratones, lo que puede crear una presión adicional en sus pulmones.
* — , . .
Imagen # 4
En conclusión, los científicos, en base a los datos obtenidos, decidieron determinar si otros animales son capaces de atraer objetos por succión, como los elefantes. En primer lugar, se estimó la relación entre el peso corporal y el radio de la fosa nasal ( 4a ), que aumenta con el tamaño de la criatura (de los que se tuvieron en cuenta en los cálculos).
Los elefantes tienen las fosas nasales más anchas de todos los mamíferos estudiados, con un radio de fosas nasales de 10 mm en la punta a 30 mm a una distancia de 90 cm de ella. Usando elefantes como punto de información, los científicos trazaron la distancia máxima a la que los mamíferos, en teoría, pueden atraer objetos por succión ( 4b ). Por ejemplo, para vacas esta distancia es de 1 cm y para cerdos y tapires 0,65 cm.
Y la parte más divertida, por supuesto. Una persona también puede atraer objetos aspirando aire, aunque no serán más gruesos que una hoja de papel, y la distancia máxima para un truco exitoso con un chip no puede ser más de 0,4 mm. Cualquier fluctuación en el aire entre el chip y la nariz hará que el truco sea imposible.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .
Epílogo
Por lo que se puede amar la ciencia, también lo es por su infinitud. Una persona está lista con inmensa curiosidad para explorar todo, desde el misterioso espacio y las profundidades de los océanos hasta la trompa de un elefante.
En este estudio, los científicos realizaron experimentos y cálculos que detallan cómo exactamente el elefante logra atraer objetos mediante succión. Por un lado, este parece ser un proceso muy simple, pero para su implementación se requieren muchos factores, desde pulmones no estándar hasta la estructura muscular flexible del tronco.
Para un elefante, su trompa es tanto un manipulador, un sensor ambiental y una herramienta de muestreo. El sentido del olfato de los elefantes es mucho mejor que el nuestro, y la flexibilidad y movilidad de la trompa les permite interactuar incluso con los objetos más frágiles sin dañarlos.
Los elefantes son criaturas asombrosas que pueden fácilmente considerarse un ejemplo de cómo incluso las aparentemente extrañas peculiaridades de la evolución tienen significado, lógica y aplicación práctica.
Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana, chicos. :)
PD Después de leer este material, por favor no trates de tirar papas fritas en casa aspirando aire. Es poco probable que los autores del estudio quisieran que se ahogara al intentar interpretar a Dumbo.
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