Non è necessario avere la passione delle arrampicate montane per conoscere le difficoltà legate all'utilizzo di una fune ad estremità libera.
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| credit: Bertrand Semele |
E' sufficiente il ricordo dell'ora di ginnastica dei tempi del liceo con gli esercizi di salita e discesa lungo una fune ancorata al soffitto per sapere che sotto la forza indotta dalla nostra manovra la fune tenderà ad oscillare in misura proporzionale alla nostra distanza dal punto di ancoraggio.
Eppure c'è un animaletto, il ragno, che non ha di questi problemi e anzi può essere ammirato scorrere agile lungo il filo di seta senza indurre alcun apparente movimento. Quando si parla di ragni non è corretto generalizzare e associarli alla classica ragnatela per il semplice motivo che non solo molti ragni non ne sono capaci ma quelli "abilitati" ne producono di tipi così diversi dall'essere loro stessi classificati in base alla ragnatela prodotta. Tutti i ragni sono tuttavia capaci di produrre seta sebbene di composizione diversa a seconda del suo utilizzo. Limitandoci al caso della "ragnatela classica" (ad esempio quella prodotta dal ragno crociato) non tutti i fili sono uguali come evidente dalla presenza di cavi radiali portanti e cavi circonferenziali appiccicosi utili per catturare le prede; struttura e materiali diversi in grado però di assicurare resistenza e iper-elasticità.
La ragnatela è formata da due tipi di filamenti di seta miscelati in diverso rapporto. Ciascun filamento (di natura proteica) viene secreto da specifiche ghiandole in forma liquida per divenire immediatamente solido e con una resistenza senza eguali anche tra i prodotti industriali. I due tipi di filamenti sono uno vischioso (utile per la cattura degli insetti) mentre l'altro, noto come dragline (filo teso) conferisce resistenza, flessibilità ed elasticità. Le proteine costituenti i filamenti sono diverse ma le proteine MaSp1 e MaSp2 sono specifiche per la seta dragline.
Le proteine "mattone" dei diversi tipi di filamenti in una ragnatela (credit: Olena Tokareva from Microb. Biotechnol.) Se volete uno schema più dettagliato --> QUI Le proprietà di questi filamenti hanno destato l'interesse dell'industria per la possibilità di creare fibre altamente resistenti ed ecologiche. A conferma della fattibilità del processo vi è la produzione in laboratorio di una proteina ricombinante dotata di caratteristiche paragonabili a quella naturale (--> Olena Tokareva et al).
La dragline in particolare è importante sia da un punto di vista strutturale che come fune "salvavita" in grado di prevenire rovinose cadute al ragno durante le sue discese verso il suolo. Non è tuttavia la robustezza della dragline che mi interessa sottolineare oggi (sebbene sia 5 volte più resistente alla pressione dell'acciaio), quanto la sua stabilità alla torsione, una caratteristica che limita fortemente
l'ampiezza dell'oscillazione del filo durante le salite/discese del ragno. Questa proprietà è quella che fa la differenza sia rispetto alle funi naturali (come la canapa) che a quelle artificiali (i cavi di acciaio) propense ad oscillare ogni qualvolta sono associate ad un carico (guardate la cautela con cui viene mosso il gancio di una gru per avere una idea delle problematiche associate).
Vale la pena ricordare che la evidente stabilità della fune di seta mentre il ragno si sposta velocemente su di essa non dipende dal suo peso minimale; si tratta pur sempre di un rapporto
elevato tra il peso del ragno e lo spessore della fune.
L'analisi delle proprietà torsionali della dragline è stata portata avanti dai ricercatori della Queen Mary University a Londra che hanno sviluppato all'uopo una versione moderna del pendolo di torsione
"classico"; l'integrazione del pendolo con un rilevatore di immagini ad
alta velocità ha permesso di registrare le oscillazioni del pendolo e i
suoi angoli angoli di torsione al variare della "mini-fune" usata.
L'analisi della torsione è tra i metodi di maggiore sensibilità quando vengono analizzate le proprietà meccanica di un dato materiale. Un approccio non nuovo in realtà se si pensa che già nel 1700 Henry Cavendish utilizzò la torsione di un pendolo per dimostrare l'esistenza della attrazione gravitazionale tra due masse rappresentate dai pesi metallici alle sue estremità. Un esperimento simile fu fatto negli stessi anni anche da Charles Augustin de Coulomb negli studi che portarono alla formulazione della legge di attrazione elettrostatica.
I test sono stati condotti sia su filamenti "classici" che sulle dragline prodotte da due specie di ragni tessitori del genere Nephila. I filamenti, fissati ad una estremità ad un cilindro e all'altra a delle rondelle in grado di mimare il peso del ragno, sono stati sottoposti a torsioni la cui energia si è scaricata provocando oscillazioni del cavo; i movimenti sono stati registrati e quantificati mediante il rilevatore di immagini collegato ad un computer.
Le prove condotte su fibre di Kevlar, fili metallici o altre fibre convenzionali mostravano la comparsa di un movimento sia rotatorio che di oscillazione intorno al punto di riposo. Niente di sorprendente.
La sorpresa venne invece quando si passò ai filamenti di seta del ragno che oscillavarono intorno ad una posizione diversa rispetto a quella di riposo ad indicare che la fibra presentava delle deformazioni interne in grado di assorbire almeno parte della forza ricevuta.
Torsione ed oscillazione. Se non vedi il video --> Youtube
Gran parte dei materiali disponibili - come la gomma, l'acciaio, la pietra e l'argilla - si deformano quando sono sottoposti a carico ma tornano alla forma iniziale una volta che questo viene rimosso; un fenomeno riassumibile con il termine elasticità.
Ovviamente il discorso è valido all'interno di determinati intervalli di carico, specifici per ogni materiale, oltre il quale il materiale si danneggia, rompe o rimane permanentemente deformato; in quest'ultimo caso si parla di plasticità.
Il filamento di seta prodotto dal ragno ha una doppia proprietà mostrando sia caratteristiche di plasticità che di elasticità già a partire dalla prima, anche piccola, forza di deformazione subita. Questo "cedimento interno" è sufficiente per dissipare la maggior parte dell'energia
immagazzinata nella torsione il che a cascata riduce l'ampiezza delle
oscillazioni. La restante parte della energia indotta dalla torsione si "consuma" per l'attrito con l'aria o, ma non è ancora chiaro, per attriti interni alla struttura molecolare della fibra.
In assenza di queste proprietà strutturali il ragno comincerebbe ad oscillare scivolando verso il basso della sua fune ogni qualvolta iniziasse a spostarsi su essa.
Nessun materiale si comporta in questo modo e i ricercatori hanno avuto seri problemi nel cercare di comprenderne le basi molecolari.
Per comprenderne le basi bisogna partire dalla nozione prima anticipata che ogni filo di seta è costituito da fibrille ciascuna delle quali è composta da proteine la cui struttura secondaria è un susseguirsi di regioni amorfe e aree a struttura definita come i beta-sheet.
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| Dentro ogni fibrilla c'è una serie di strutture disordine (amorfe) e ordinate (cristalline) (credit: Kebes, CC BY-SA) |
Le aree amorfe sono tenute insieme da deboli legami idrogeno che per tipologia (ma soprattutto per numero) non consentono di mantenere una forma rigida al contrario delle zone strutturate.
Per avere una idea della potenza complessiva dei legami idrogeno ma della loro labilità se presi singolarmente, pensate all'acqua e al suo apparire solida (le molecole sono insieme dai legami idrogeno) ma in realtà "non afferrabile" come un solido proprio per la labilità dei legami che permette a ciascuna molecola di scivolare l'una accanto all'altra. E' sufficiente inserire un dito nell'acqua per sparigliare localmente la struttura, una manovra che causa la rottura dei legami idrogeno locali formandone di nuovi sulle molecole delocalizzate.L'idea che si sono fatti i ricercatori è che in seguito alle forze di torsione le catene amorfe assorbono l'energia, deformandosi. La deformazione insieme all'attrito tra le fibrille permette di dissipare l'energia applicata che così non dovrà essere "scaricata" su movimenti della fibra in toto. La forma complessiva della fibra di seta viene invece mantenuta grazie alla presenza delle zone "strutturate".
Questo spiega come mai la fune "non sembri percepire alcuna forza mentre il ragno sale o scende lungo essa".
Implementare questa tecnologia naturale nell'industria avrebbe applicazioni su vasta scala, dalle scalette di salvataggio degli elicotteri alle funi dei paracadute.
Articoli precedenti sui ragni --> "Il ragno che "suona" la sua tela"e "L'antenato dei moderni artropodi".
Fonte
- Why abseiling spiders don’t spin out of control – new research
David J Dunstan (2017)
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