Наблюдения за ящерицей Scincus scincus позволили ученым открыть новый способ передвижения в песке. Оказалось, что в нем можно буквально плавать. Причем таким же способом они заставили плавать и механическое устройство, что вполне может принести пользу промышлености.
Ящерица, латинское название которой Scincus scincus (в России известна как Обыкновенный сцинк), обитает в пустынях Северной Африки и на Ближнем Востоке: в Саудовской Аравии, Иране и Ираке. Местное население прозвало ее «песчаной рыбой» за умение «плавать» в песке так же быстро, как рыба в воде. Она привлекла внимание немецких ученых еще в 2000 году своей удивительно гладкой кожей. Коэффициент трения шкурки этого сцинкового меньше, чем у полированной стали, стекла и нейлона. Теперь любопытные немцы захотели узнать, как именно она «плавает» в песке.
Задача не совсем тривиальная, ведь песок непрозрачен, и наблюдать обычным способом за движением животного люди не могут. Но биологи, физики и компьютерщики совместными усилиями нашли выход: за перемещением ящерицы наблюдали с помощью метода ядерной мегнито-резонансной интроскопии. Для этого метода песок прозрачен, ведь он практически не содержит водорода, зато ящерица отлично видна.
Эксперимент проводили так: цилиндрическую емкость диаметром 22 см и длиной 40 см, идеально подходящую под размеры полости аппарата для магнито-резонансной томографии, заполнили песком на 60% объема емкости. Ящерок (а их было три – видимо, для статистики) усаживали на платформу, расположенную у отверстия в цилиндре, сделанного ровно над поверхностью песка. Все ящерки, проникнув внутрь цилиндра, быстро зарывались в песок и двигались вдоль цилиндра. В это время ученые сканировали ее передвижение с интервалом 120 миллисекунд. В итоге они получили несколько серий изображений, которые дали возможность «увидеть» ящерицу в движении.
Увиденное несколько озадачило ученых. Исходя из общих соображений они предполагали, что сцинк прижимает конечности к телу, но эксперимент показал, что «песчаная рыбка» вращает лапками, передвигаясь в толще песка. «Сначала это казалось нелогичным, ведь песок оказывает сопротивление движению, -- комментирует полученные результаты Вернер Баумгартнер (Werner Baumgartner), один из исследователей, -- но мы выяснили, что движение конечностей очень хорошо скоординировано с извивающимся движением тела».
Дальнейшее исследование показало, что стиль движения ящерицы схож с плаванием кролем. Когда передняя часть тела рептилии изгибается, к примеру, вправо, то слева от нее песок становится разреженным, и ящерица с минимальным усилием «загребает» передней левой лапкой. Затем она изгибается влево: песок уплотняется и служит точкой опоры для отталкивания конечностью. Двигаясь по такому принципу, ящерица достигает довольно высоких скоростей и максимальной эффективности от прилагаемых усилий.
Экспериментаторы заметили еще одну особенность. Все ящерицы всегда двигались с одинаковой «поворотной» частотой – 3 герца (то есть три изгиба тела в секунду). Авторы решили выяснить, существуют ли физические основы подобного постоянства. Для этого они взяли цилиндрический кусочек алюминия размером с лапку «песчаной рыбы» и заставили его двигаться в песке по синусоидальной траектории на глубине 10 см с изменяющейся частотой. Ток, затрачиваемый самодельным мотором, который приводил алюминиевую ножку в движение, пропорционален усилию, затрачиваемому на это движение. Оказалось, что ток минимален именно при частоте вращения модельной лапки 3 герца.
Простые математические вычисления, основанные на известной физической модели движения гранулированных материалов, показали, что именно при данной частоте песок ведет себя не как твердое тело, а подобно жидкости. И в общем-то ящерица действительно плавает. Хотя, конечно, не как рыба, а скорее как профессиональный пловец.
В заключение своей работы ученые отмечают, что их работа полезна не только тем, что теперь они поняли особенности передвижения сцинка в толще песка. Их результаты позволяют лучше понять физику гранулированной материи и дать новые возможности и принципы ее декомпакции. В ближайшим будущем это, по мнению ученых, может понадобиться инженерам для увеличения эффективности обработки, производства и транспортировки гравия, песка, порошков и других подобных материалов. Так это или не так – покажет время.
