Miért ideális a pókháló alakja?
A pókháló anyaga közismerten különleges. Vékonyságához képest – ami csupán ~4 μm [1] , az emberi hajszál töredéke – rendkívül erős és rugalmas. A fehérje rost erősebbnek bizonyult, mint a vele megegyező mennyiségű acél, és a szakítószilárdsága nagyobb, mint a kevláré [2].
Az anyag tulajdonságait széles körben vizsgálják évtizedek óta. Jóval kevesebb figyelmet kapott a háló geometriája. 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, és a háló a lehető legkisebb mértékben roncsolódjon. Hipotézisünk, hogy a radiális-spirális elrendezés optimálisabb szerkezet, mint a más struktúrájú, azonos mennyiségű anyagból készült megoldások.
A hipotézist numerikus szimulációval vizsgáltam. A program a háló tömegét a szálak csomópontjaiba koncentrálva a nem-lineáris mozgásegyenletet oldja meg. Egy valódi pókháló pontjait digitalizálva összehasonlítottam annak viselkedését egy négyzethálós, egy véletlen elrendezésű és egy olyan hálóval, melynek a valós 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 mennyire dolgoznak össze annak egyes részei.
Az eredmények azt mutatják, hogy a pókhálóban és a hozzá hasonló struktúrában - a becsapódás közvetlen környezetétől eltekintve - 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.
[1] Frank K. Ko, Jovan Jovicic: Modeling of Mechanical Properties and Structural Design of Spider Web, Biomacromolecules 2004, 5, 780–785
[2] J. M. Gosline*, P. A. Guerette, C. S. Ortlepp, K. N. Savage: The Mechanical Design of Spider Silks: From Fibroin Sequence to Mechanical Function, The Journal of Experimental Biology 202, 3295–3303 (1999)
