Fizyka w świecie zwierząt, czyli nie tylko o nartniku, co po wodzie chodzi

Powierzchnia wody działa na owada pewną siłą, w ten sposób przeciwstawiając się sile nacisku jego kończyn na powierzchnię. Wyobraźmy sobie, że woda zbudowana jest z bardzo wielu kulistych cząsteczek. Każda cząsteczka znajdująca się pod powierzchnią wody jest przyciągana przez sąsiednie cząsteczki w różne strony. Wyjątek stanowi tutaj warstwa cząsteczek na samej górze, wabiona tylko przez sąsiadów z dołu. To powoduje, że te drobiny na powierzchni "chcą" jak najszybciej i najgłębiej zejść w dół, bo do góry wszak nikt i nic ich nie ciągnie.

Magiczne kropelki

Cząsteczki wody przyciągają się wzajemnie, co skutkuje kurczeniem się wody. W fizyce nazwano to napięciem powierzchniowym cieczy. Dlatego właśnie krople deszczu czy oleju mają kształt kulisty. Możemy to również zauważyć, wyciągając z wody pędzel do malowania; następuje sczepianie się jego włosków. Wkładając pędzel z powrotem do wody zauważymy, że jego włoski ułożone są luźno, tak jak ma to miejsce w suchym pędzlu.
Wróćmy do naszego przykładu z powierzchnią wody. Jeżeli pojawi się jakiś owad - np. nartnik - bądź rzucimy kawałek suchego drewna, cząsteczki na samej górze wypierają te elementy, przeciwdziałając zwiększeniu się swojej powierzchni, dzięki czemu przedmioty te nie toną, a nartnik skacze po wodzie.

Jak woda po kaczce

Kiedy lód stopnieje, nad jeziorem pojawią się na pewno kaczki. Jeżeli się im bliżej przypatrzymy zobaczymy, że woda spłynie po kaczych piórach nie zostawiając kropli. Dzieje się tak, ponieważ pióra nasiąknięte są tłuszczem, który nie rozpuszcza się w wodzie i zapobiega absorpcji wody w głąb piór. Można to zauważyć, wlewając kilka kropli oleju do szklanki wypełnionej wodą.

Odpychająca mątwa

Pozostając przy temacie wody możemy również zetknąć się z zasadą zachowania pędu. Brzmi groźnie, ale nie dla mątwy, która dzięki tej zasadzie broni się przed drapieżcami. Pęd to nic innego jak prędkość porannego biegu do autobusu pomnożona przez masę naszego ciała i torby z książkami. Ciało mątwy, zbudowane z worka mięśniowego wypełnionego wodą, wyrzuca z niego strumień wody, nadając mątwie pewien ruch ku przodowi. Na dodatek woda ta jest zabarwiona różnymi związkami, które dezorientują przeciwnika. Meduza czy ośmiornica wykorzystuje zjawisko odrzutu do poruszania się. Szybki skurcz ciała wyrzuca wodę do tyłu, nadając w tym samym czasie pęd w przeciwnym kierunku. Pędzącym rano do autobusu radzę uważać, by nie zgubili żadnych książek.

Żabia trygonometria

Na brzegu jeziora możemy też czasami spotkać żaby. Okazuje się, że to również bardzo mądre zwierzęta. Skok w dal jest ich ulubioną dyscypliną sportową. Skacząc zawsze pod kątem 45°, zapewniają sobie maksymalny zasięg skoku w terenie płaskim. Warto wiedzieć, że w ten sam sposób uczą się kopać piłkę zawodowi piłkarze. Rzut czy skok pod kątem większym lub mniejszym, np. 30° bądź 60° spowoduje, że piłka lub żaba spadną bliżej, niż gdyby zastosować kąt 45°. Możemy teraz śmiało powiedzieć, że żaby to wielbiciele funkcji trygonometrycznych.
Zwierzęta znacznie wcześniej zaczęły wykorzystywać nanotechnologie, niektóre do dziś są nadal nieosiągalne dla człowieka. Gekon potrafi biegać po suficie do góry nogami, a nawet zwisać na jednej łapie. Na powierzchni swoich stóp ma miliony mikroskopijnych, giętkich włosków, którymi przeczepią się do podłoża. Odziaływanie, jakie występuje między stopą a sufitem jest bardzo słabe, ale miliony punktów zaczepienia kompensują ciężar jaszczurki. Możemy sobie teraz tylko wyobrazić, że już za kilka lat, w dobie rozwoju nanotechnologii, będziemy mogli spacerować po ścianach.

Ciało, które świeci

Podczas, gdy ludzie zmuszeni są polegać na sztucznej elektryczności, istnieją wokół nas zwierzęta, które potrafią same generować światło. Możliwe jest to dzięki uwalnianiu energii pochodzącej z reakcji chemicznych, które zachodzą w ciałach tych organizmów. Efekt jest bardzo często zniewalający. Bioluminescencja to nie tylko zdolność żywych organizmów do świecenia, ale również przystosowanie do trudnych warunków środowiskowych. Dzięki tej niezwykłej cesze zwierzęta przykuwają uwagę partnera, wabią kolację jak również kamuflują się przed drapieżcami. Najbardziej popularnymi owadami są robaczki świętojańskie. Legenda głosi, że gdzie świetliki, tam kwiat paproci, ale nawet jeżeli go nie znajdziemy, to czerwcowy spacer może nam dostarczyć niezapomnianych wrażeń.

Dlaczego samolot lata?

Człowieka od zawsze fascynowała tajemnica lotu. Podglądając latające bez większego wysiłku ptaki, pionierzy aeronautyki, inżynierowie na podobieństwo budowy i kształtu ptaków budowali latające maszyny. Samoloty i ptaki poruszają się dzięki sile nośnej. Wyobraźmy sobie, że skrzydło przecina powietrze na dwie części, górną, przepływającą nad skrzydłem i dolną, przepływającą pod skrzydłem. Jest ono wyprofilowane w ten sposób, że górna powierzchnia jest większa, dlatego powietrze na górze musi „lecieć” szybciej by móc spotkać się ze swoją częścią powietrza z dołu w tym samym czasie. Szybciej poruszające się powietrze wywiera mniejsze ciśnienie, czyli mniejszą siłę, niż to na dole i dzięki temu skrzydło „pchane” jest do góry, co umożliwia utrzymanie się w powietrzu. W ten sam sposób zbudowane są skrzydła samolotu, z tą różnicą, że człowiek musi napędzać samolot silnikiem i śmigłami, a ptaki ich nie potrzebują.

Ryba pod prądem

Chociaż na ogół wolimy nie myśleć o porażeniu prądem, niektóre zwierzęta w toku ewolucji przystosowały swój układ nerwowy do generowania prądu elektrycznego. Każde zwierzę, od dżdżownicy do człowieka, wytwarza energię elektryczną, ale u wszystkich, prócz ryb elektrycznych, pozostaje to zjawiskiem wewnętrznym, które nie powoduje tragicznych w skutkach efektów. Węgorz elektryczny aż w 80% zbudowany jest z komórek elektrycznych, tzw. elektrocytów, ułożonych ciasno, jedna za drugą. Podczas wyładowań, natężenie prądu z każdej komórki jest dodawane i powstaje prąd o łącznym natężeniu mogącym zabić dorosłego, zdrowego człowieka oraz ogłuszyć konia z odległości 6 m. Dla porównania, gniazdko elektryczne posiada 30% mniej energii w stosunku do tej, jaką wytwarza węgorz podczas wyładowania. Zostaje nam tylko czekać, aż naukowcy wynajdą sposób na gromadzenie energii pochodzącej od ryb elektrycznych i dalsze jej wykorzystanie przez człowieka.

Zjawiska rozpowszechnione wśród zwierząt od lat inspirują i zachwycają nie tylko przyrodników, ale również fizyków i matematyków, służąc im do analizy praw powszechnie występujących w świecie. Warto trochę bliżej przypatrzeć się napotkanym na swojej drodze zwierzętom, bo być może zauważymy coś, czego do tej pory nie udało się zaobserwować żadnemu odkrywcy. Prawdę bowiem mówi porzekadło: „Świadectwem mądrości człowieka są muzea, biblioteki i wiedza osób wykształconych. Zwierzęta mają swoją mądrość we krwi.”
Natalia Zawrotna
Autorka jest studentką biologii Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie
Materiał zamieszczamy w ramach promocji Nocy Biologów 2017 w Olsztynie