Protokół tutaj poświęcony jest badaniu swobodnego i szybkiego manewrowania tragarza wodnego na powierzchni wody. Protokół obejmuje obserwację mikrostruktury nóg i pomiar siły przylegania podczas odchodzenia od powierzchni wody z różnymi prędkościami.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Pomiar siły dynamicznej działającej na nogę wodnego wędrowca skaczącą w górę przez czujnik folii PVDF
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
To badanie miało na celu wyjaśnienie zjawiska występującego w przyrodzie, że wodnik zazwyczaj skacze lub ślizga się po powierzchni wody łatwo, ale szybko, osiągając maksymalną prędkość lokomocji sięgającą 150 cm/s. W pierwszej kolejności obserwowaliśmy mikrostrukturę i hierarchię nóg wodniaka za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Na podstawie zaobserwowanej morfologii nóg stworzono teoretyczny model oderwania się od powierzchni wody, który wyjaśnił zdolność wędrowców wodnych do swobodnego ślizgania się po powierzchni wody pod względem redukcji energii. Po drugie, opracowano system dynamicznego pomiaru siły wykorzystujący czujnik folii PVDF o doskonałej czułości, który mógł wykryć cały proces interakcji. Następnie pojedyncza noga w kontakcie z wodą została podciągnięta do góry z różnymi prędkościami, a siła przylegania została zmierzona w tym samym czasie. Wyniki eksperymentu sugerują głębokie zrozumienie szybkiego skakania przez wędrowców wodnych.
Wprowadzenie
W naturze, wędrowcy wodni posiadają niezwykłą zdolność do łatwego i szybkiego skakania lub szybowania po powierzchni wody za pomocą smukłych i niemokrych nóg1,2,3,4,5, ale rzadko poruszają się powoli, w przeciwieństwie do owadów lądowych. Hierarchiczna struktura przebieracza wodnego stabilizuje stan superhydrofobowy, co powoduje radykalne zmniejszenie powierzchni styku i siły adhezji między wodą a nogą6,7,8,
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Obserwacja struktury powierzchni na nodze wodnego Stridera
- Zbieraj wędzierzy z lokalnych stawów słodkowodnych za pomocą podbieraka rybackiego.
- Odetnij co najmniej 5 par środkowych nóg jako próbki eksperymentalne za pomocą nożyczek. Ostrożnie dotykaj dolnej części nóg, aby zapobiec zanieczyszczeniu powierzchni i zakłóceniu mikrostruktury z przodu nóg.
- Wysusz nogi na powietrzu w naturalny sposób.
- Obserwuj mikrostrukturę powierzchni nóg za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego z rozdzielczością na poziomie mikro, jak pokazano na Rysunek 1a.
- Obserwuj mikrosety nóg z....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Zależność między prędkością podnoszenia a siłą adhezji przedstawiono w Tabeli 1. Gdy prędkość podnoszenia wzrasta z 0,01 m/s do 0,3 m/s, siła adhezji między powierzchnią wody a odnóżem gwałtownie spada z 0,10 do 0,03 . Wyniki eksperymentu z odrywaniem wykazały, że szczytowa siła adhezji gwałtownie maleje wraz ze wzrostem prędkości podnoszenia, co wskazuje na to, że nartniki mogą poruszać się swobodniej, przemieszczając się szybko po powierzchni wody.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W tym protokole udało się opracować, zmontować i skalibrować system pomiaru siły dynamicznej oparty na czujniku folii PVDF w celu pomiaru siły przylegania od powierzchni wody. Spośród wszystkich etapów kluczowe było to, aby siła przyczepności była mierzona przy różnych prędkościach poprzez podnoszenie nogi z powierzchni wody, ponieważ badanie to skupiało się na niezwykłej charakterystyce szybkiego manewrowania na wodzie. Wyniki eksperymentu z odjazdem wykazały, że siła przylegania zmniejszała się wraz ze wzrostem prędkoś.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autor nie ma nic do zdradzienia.
Podziękowania
Autorzy dziękują Krajowemu Programowi Badań i Rozwoju Kluczowych Technologii Ministerstwa Nauki i Technologii Chin (nr 2011BAK15B06) za wsparcie. Dziękujemy Shuya Zhuang, który jest mistrzem z naszego laboratorium, za pomoc w ukończeniu sesji zdjęciowej.
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Czujnik folii PVDF | TE Connectivity | DT1-028K/L | Czujnik folii PVDF służy do wykrywania dynamicznej siły nacisku. |
| Wzmacniacz ładowania | Wuxi Shiao Technology co., Ltd | YE5852B | Wzmacniacz ładowania to elektroniczny całkownik prądu, który wytwarza napięcie wyjściowe proporcjonalne do wartości zintegrowanej urządzenia do |
| akwizycji danych | wejściowych National Instruments | USB-4431 | Urządzenie do akwizycji danych służy do odczytu danych o napięciu. |
| Stopień wypornościowy | ZOLIXINSTRUMENTS CO. LTD | KSAV1010-ZF | KSAV1010/2030-ZF to klinowy stopień pionowy o wysokiej rozdzielczości, wysokiej stabilności i dużym obciążeniu. |
| Kamera CCD | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | mikroskop cyfrowy A1 | Liczba klatek na sekundę: 30 klatek na sekundę; Odległość ogniskowa: 5mm - 30mm |
| Komputer | Lenovo | G480 | |
| Serwomotor | EMAX US Inc. | ES08MD | Nie jest źle to serwo o prędkości wahającej się od 0,10 sek/60° / 4,8 V do 0,08 s/60 stopni; / 6,0 V. |
| Pipety mechaniczne | Dragon Laboratory Instruments Limited | YE5K693181 | Pipety obejmują zakres objętości 0,1 i mu; od l do 2,5 i mu; l |
Bibliografia
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36(2004).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
