Jak ptak igra z grawitacją

Już Karol Darwin zauważył, i to 150 lat temu, że kształt dziobu ptaka jest dostosowany do jego sposobu odżywiania. Okazuje się jednak, że rozwiązanie niektórych zagadek związanych z ptasią dietą wymaga zastępu matematyków i inżynierów, i to nie byle jakich, bo pracujących dla MIT. Donoszą oni, że odkryli sposób, w jaki ptak, zwany płatkonogiem (łac. Phalaropus sp.), "oszukuje" grawitację i przenosi pożywienie do swojego dzioba.

Płatkonóg, pospolity w Ameryce Północnej, wykorzystuje subtelne interakcje między powierzchnią dzioba a kropelkami wody, by unosić w powietrze drobne skorupiaki, a następnie połykać je. Aby to zrobić, krąży z dużą prędkością z dziobem zanurzonym pod powierzchnię morza, a powstający w ten sposób wir wypiera do góry kropelki wody z zanurzonym w nich pokarmem. Przypomina to nieco szklankę liściastej herbaty, w której drobne listki wykonują ruch w kierunku powierzchni, mimo że łyżeczka wykonuje wyłącznie okrężny ruch w płaszczyźnie poziomej.

Do rozwiązania pozostało tylko jedno pytanie: w jaki sposób ptak wymusza ruch wody do góry, skoro jego dziób jest skierowany do dołu? Rozwiązaniem łamigłówki było odkrycie, iż podczas polowania płatkonóg wykonuje ruchy przypominające zaciskanie się i otwieranie pęsety. Powoduje to wygenerowanie zjawiska histerezy, czyli skokowej zmiany właściwości ciała fizycznego (tu: kropli wody z zawieszonym w niej skorupiakiem odrywającej się od powierzchni) pod wpływem stopniowo narastającej siły (w tym wypadku: siły stopniowo zaciskającego się dzioba).

Na podstawie analizy serii mechanicznych modeli studenci MIT ustalili optymalny kształt, który zapewnia najwydajniejsze wytwarzanie wodnej mgiełki. Okazuje się, że z punktu widzenia ptaka najskuteczniejszy jest dziób podłużny i wąski, jednak musi on być zamykany i otwierany z odpowiednią częstotliwością i pod odpowiednim kątem. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie kropelek, które unoszą się do góry z prędkością około 1 m/s.

Ten nietypowy mechanizm ma jednak jedną wadę: jest niezwykle wrażliwy na zanieczyszczenia wody. Nawet niewielka ilość olejów lub detergentów jest w stanie całkowicie zaburzyć niezwykle subtelne zjawisko histerezy. Oznacza to, że nawet niewielkie skażenie wody u wybrzeży Ameryki może zakończyć się dla płatkonogów tragicznie.

Odkrycie Amerykanów ma nie tylko wartość poznawczą. W dobie miniaturyzacji i niezwykle drobnych układów zwanych "laboratoriami na chipie" (ang. lab on a chip) zdolność skutecznego przenoszenia drobnych porcji płynu "wbrew grawitacji" może się okazać kluczowa dla działania wielu tego typu urządzeń. Technologia ta jest wciąż w powijakach, lecz ocenia się, że jej potencjał jest ogromny - może stać się niezwykle pomocna w wielu dziedzinach, od diagnostyki medycznej aż po analizę jakości produktów w zakładach przemysłowych.

Szczegółowe informacje na temat produktu opisano w najnowszym numerze czasopisma Science.

płatkonóg grawidacja skorupiak