A pókhálók szerkezetének dinamikai vizsgálata
A pókháló anyaga közismerten különleges. Vékonyságához képest – ami csupán körülbelül 4µm, az emberi hajszál töredéke – rendkívül erős és rugalmas. A fehérje rost erősebbnek bizonyult, mint a vele megegyező mennyiségű acél, szakítószilárdsága nagyobb, mint a kevláré.
Az anyag tulajdonságait precíz kísérleti eljárásokkal vizsgálják évtizedek óta, ehhez képest jóval kevesebb figyelmet kapott a háló geometriája, továbbá az a mozzanat, hogy a háló készítésének végén a pók a háló közepén „összerántja”, azaz előfeszíti a hálót.
A keresztespókfélék szövik a széles körben ismert, radiális és spirális szálakból szőtt hálót, ennek pontos alakja a fajtól csak kis mértékben függ. Mivel az evolúció során kialakult alak ennyire egységes, arra következtettünk, hogy ez az ideális elrendezés ahhoz, hogy a pók minél több táplálékot szerezzen. Hipotézisünk, hogy a radiális-spirális elrendezés optimálisabb szerkezet, mint a más struktúrájú, azonos mennyiségű anyagból készült megoldások. Ezen felül azt tételezzük fel, hogy az előfeszítés nagyban segíti a pókháló szálai együtt dolgozását.
A hipotézist numerikus szimulációval vizsgáltam. A program a háló tömegét a szálak keresztezésénél lévő csomópontokba koncentrálja és az így előálló diszkrét mechanikai rendszerre a nem-lineáris mozgásegyenletet oldja meg. Egy, az irodalomban sikerrel alkalmazott háló modell viselkedését összehasonlítottam egy négyzethálós, egy véletlen elrendezésű és egy olyan hálóval, melynek az első hálóhoz hasonlóan radiális szálai vannak, amelyeket koncentrikus körök fognak össze. A vizsgálat során az előfeszített hálók csomópontjaiba csapódó rovarokat szimuláltam, elemezve, mennyire nyúlik meg a háló, valamint, hogy milyen mértékben vonódnak be a háló egyes részei a becsapódó bogár mozgási energiájának elnyelésébe.
Az eredmények azt mutatják, hogy a pókhálóhoz hasonló struktúrákban a szálakban egyenletesebb a megnyúlás eloszlása a többi vizsgált szerkezeténél. A becsapódás ereje tehát nem csak annak helyét, hanem szinte az egész hálót terheli, így az összes előfeszített szál részt vesz a becsapódási energia felvételében. Vizsgálataim eredménye egyértelműen mutatja a radiális-spirális elrendezés előnyét a többi vizsgált alakzattal szemben és az előfeszítés fontosságát.