Пугнп расшифровка. Механические свойства и структура соединений в паутине пауков-кругопрядов

Какие типы соединений существуют в паутине пауков-кругопрядов. Как отличаются механические свойства разных типов соединений в паутине. Какую роль играют различные типы соединений в структуре паутины. Каковы основные характеристики прикрепительных дисков паутины.

Типы соединений в паутине пауков-кругопрядов

В круговой паутине пауков можно выделить два основных типа соединений:

• Соединения между радиальными нитями
• Соединения между радиальными и спиральными нитями

Эти соединения отличаются по своей морфологии и механическим свойствам. Какие железы пауков участвуют в образовании разных типов соединений? Исследования показывают, что:

• Соединения радиальных нитей производятся грушевидными железами пауков
• Соединения радиальных и спиральных нитей, вероятно, образуются с участием агрегатных желез

Морфология соединений в паутине

Соединения радиальных нитей имеют фибриллярную структуру, напоминающую прикрепительные диски паутины. Соединения радиальных и спиральных нитей выглядят как капли клея. Чем обусловлены эти различия в морфологии? Вероятно, они связаны с разными функциями соединений в структуре паутины.

Механические свойства соединений

Исследователи провели механические испытания различных типов соединений в паутине. Какие параметры измерялись? Основные характеристики включали:

• Силу, необходимую для разрыва соединения
• Энергию, рассеиваемую при разрыве
• Удлинение до разрыва

Результаты показали значительные различия между соединениями разных типов. Какие выводы можно сделать на основе этих данных?

Функции различных типов соединений

Анализ механических свойств позволяет предположить, что разные типы соединений выполняют различные функции в структуре паутины:

• Соединения радиальных нитей обеспечивают прочность конструкции в целом
• Соединения радиальных и спиральных нитей позволяют локализовать повреждения

Как эти особенности влияют на способность паутины противостоять различным нагрузкам?

Прикрепительные диски паутины

Отдельное внимание в исследовании уделено прикрепительным дискам, с помощью которых паутина крепится к поверхностям. Каковы их основные характеристики?

• Состоят из тонких волокон (десятки нанометров в диаметре)
• Волокна встроены в матрицу неизвестного химического состава
• Обеспечивают надежное крепление паутины даже при сильных ветровых нагрузках

Какие методы использовались для изучения механических свойств прикрепительных дисков? Исследователи применяли как теоретические модели, так и экспериментальные подходы.

Значение исследований структуры паутины

Изучение механических свойств и структуры паутины имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. В каких областях могут найти применение знания о паутине?

• Разработка новых синтетических материалов
• Создание биомиметических конструкций
• Медицинские применения (например, новые шовные материалы)

Какие перспективы открывают подобные исследования для развития материаловедения и биомиметики?

Методы исследования структуры и свойств паутины

Для изучения структуры и механических свойств паутины исследователи использовали комплекс методов:

• Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) для анализа морфологии
• Наномеханические испытания на растяжение
• Теоретическое моделирование

Какие преимущества дает сочетание этих подходов? Комбинация методов позволяет получить всестороннее представление о структуре и свойствах паутины на разных уровнях организации.

Эволюционное значение структуры паутины

Сложная структура паутины с различными типами соединений — результат длительной эволюции пауков. Какие преимущества дает такая организация паутины?

• Высокая прочность при малом весе
• Способность поглощать значительную кинетическую энергию
• Локализация повреждений
• Возможность быстрого ремонта

Как эти свойства помогают паукам в выживании и охоте? Структура паутины оптимизирована для эффективного улавливания добычи при минимальных затратах ресурсов на построение и поддержание сети.

Провод ПУГНП: технические характеристики, расшифровка, применение

Среди большого разнообразия проводов и кабелей встречаются разные варианты. У каждого из них есть свои преимущества (например, технические характеристики) и недостатки (допустим стоимость). Среди дешевой продукции можно выделить провод ПУГНП, он имеет много общего с кабелем (два слоя изоляции, наиболее востребованные сечения для бытовой проводки и пр.). Сразу оговоримся, что согласно ПУЭ его нельзя использовать в электропроводке из-за его плохих противопожарных качеств. Однако спрос на данный проводник есть, и он обусловлен его стоимостью. Давайте рассмотрим технические характеристики ПУГНП, для чего он предназначен и что самое важное — чем опасен.

• Расшифровка маркировки
• Конструкция
• Основные параметры
• Область применения

Расшифровка маркировки

Название провода ПУГНП расшифровывается так:

• П – провод.
• УН – универсальный.
• Г – гибкий.
• П – плоский.

Вы могли заметить, что в обозначении буква Г не на своем месте, ведь буквы УН – обозначают «универсальный. Неизвестно почему так произошло. Но следует сказать о том, что есть монолитный провод ПУНП. Кстати он бывает и в медном и в алюминиевом исполнении, в остальном его технические характеристики подобны ПУГНП.

Площадь поперечного сечения жилы также указывается в маркировке, типа: ПУГНП 2х2.5. Такое обозначение расшифровывается как 2 жилы по 2,5 мм². Фактическое сечение может быть ниже до 30% от номинального. Это связано с тем, что ТУ по которому изготовлен этот провод не регламентирует строгого соответствия по сечению, в нём разрешенная погрешность при изготовлении равняется 30%. Это значит что заявленные 1,5 «квадрата» могут в реальности равняться 1, что на практике представляет большую опасность.

Конструкция

Провод представляет собой две или три гибких многопроволочных жилы, каждая из которых заключена в изоляцию, все жилы покрыты слоем общей изоляции. В ПУГНП синим цветом маркируется нулевой проводник, а в трёхжильной версии – зелено-желтым (полосами) заземляющий. Наружная изоляция белого цвета, что видно на фото ниже. На этом описание внешних параметров заканчивается. Он производится согласно техническим условиям ТУ 3551-001-97568813-2008.

Основные параметры

Технические характеристики провода ПУГНП:

1. Жилы изготовлены из меди, минимум из 7 проволок толщиной от 0,3 мм каждая.
2. Напряжения: 450В постоянного тока, 1000В переменного.
3. Материал изоляции – ПВХ.
4. Рабочая температура в диапазоне от -50°C до +50°C. При длительном нагреве выдерживает до 70°C, а при кратковременном +80°C.
5. Температура монтажа не ниже -15°C, при большем морозе изолирующий слой может повредиться.
6. Тип монтажа – неподвижный.
7. Гибкость: не менее 10 наружных диаметров провода.
8. Влажность окружающей среды до 100% (при t=+35°C).
9. Срок эксплуатации – 15 лет.
10. Сопротивление изоляции 10 МОм.
11. Строительная длина от 100 м.
12. Диапазон сечений жил для двух жильного провода от 0,35 мм² до 6,0 мм², для трёхжильного – от 0,35 мм² до 4,0 мм².

Предлагаем ознакомиться с таблицей веса и наружного диаметра при определенных сечениях провода ПУГНП:

На рынке есть много производителей, которые производят ПУГНП. Стоит отметить, что технические характеристики зависят от ответственности производителя. Среди них можно выделить:

• ОАО «Беларускабель», Мозырь
• ООО «Луки-Кабель», Великие Луки
• ООО «ТД ПромЭл», Орел

Область применения

Провод предназначен для подключения цепей освещения напряжением до 250В ~. Однако технические характеристики позволяют использовать и его для питания силовых цепей, например розеток. Допустимый ток кабеля зависит от его сечения, поэтому следует учесть, что максимальное поперечное сечение жил ПУГНП – до 6 мм

2. Это надо учесть при расчете токовой нагрузки.

Как уже было сказано, данный проводник запрещен ПУЭ. Причин этому несколько:

1. Производится по устаревшим ТУ с большими допусками по сечению. Кроме того номинальное сечение в одном месте провода не гарантирует то, что по всей его длине оно будет неизменным. Возможно, что в отдельных местах жила будет тоньше.
2. Тонкая изоляция. Слой изоляции ПУГНП на жиле доходит до 0,3 мм в самом плохом случае, слой наружной – до 0,5 мм. Притом, что согласно ПУЭ минимальная толщина изоляции должна быть от 0,4 мм. Это приводит к лёгкой повреждаемости изолирующего слоя. При прокладке это стоит учитывать. Открытая прокладка, прокладка в земле или в воде нежелательна (скорее недопустима). Нужно использовать гофру, кабель-каналы или металлические трубы.
3. Из-за тонкой изоляции возникает повышенная опасность возгорания проводки.

Однако, не смотря на запреты, часто данный проводник используют для временных линий. Для капитального ремонта проводки настоятельно рекомендуем присмотреться к другим кабелям.

Чем можно заменить ПУГНП? Для качественной проводки можно использовать кабель ВВГ, ВВГнг или NYM – это его аналоги, которые не запрещенные ПУЭ.

Похожие статьи:

• Характеристики кабеля КВВГ
• Как определить сечение провода
• Как выбрать кабель для электропроводки

расшифровка аббревиатуры названия провода, область применения

Провод ПУГНП не попадает под государственные стандарты и производится по устаревшим техническим условиям, но всё равно является очень популярным кабелем, который используют для укладки электрических сетей не только в бытовых, но и в промышленных помещениях. Такая практика является довольно рискованной. Технические характеристики этого изделия не соответствуют нормам пожарной безопасности.

• Описание кабеля
• Применение и расшифровка
• Технические характеристики и условия эксплуатации
• Особенности применения

Описание кабеля

Кабель ПУГНП может состоять из двух или трёх медных жил. Каждая из них имеет токопроводящие нити, которые плотно скручиваются между собой.

Минимальное количество таких нитей — семь. Каждая жила изолируется поливинилхлоридом толщиной в 0,3 мм и маркируется своим цветом. Двухжильный кабель имеет ноль, окрашенный в синий цвет. В трёхжильном проводе заземляющая жила окрашивается в жёлтый цвет (зачастую ещё наносится зелёная полоса). Также от разных производителей иногда встречаются и другие цвета, но каждая токопроводящая нить будет иметь собственный. Общая изоляция у провода составляет 0,5 мм. Её выполняют из белого поливинилхлорида.

Жила этого шнура способна проводить электрический ток, напряжение которого не превышает 250 вольт. Номинальная частота составляет 50 герц. Благодаря поперечному сечению, варьирующемуся от 0,75 до 4 квадратных миллиметров, можно подобрать провод практически для любых нужд.

Применение и расшифровка

Провод ПУГНП предназначен для подключения осветительных приборов. Также его можно использовать для питания маломощных электроприборов. Главной отличительной чертой этого изделия является то, что кабель плоский. Это полностью отображается в его аббревиатуре. Расшифровка ПУГНП:

1. П — провод.
2. УН означает, что кабель универсальный и его можно применять практически во всех сферах.
3. Г — гибкий.
4. П — плоский.

В негибком проводе может присутствовать перед аббревиатурой буква А. Это значит, что кабель выполнен из алюминия. Также у такого изделия есть и другие разновидности, например, ПУГНПнг (имеет изоляцию, у которой снижен уровень горючести) или ПУГНПнгд-LS (этот провод не только не горюч, но ещё и совсем не тлеет).

В самом названии изделия буква «Г» расположена не на своём месте. О причинах этого можно лишь догадываться. Есть вероятность, что произошла ошибка во время регистрации. Официальных комментариев по этому поводу не было и не будет, потому что шнур ПУГНП по закону запрещено использовать.

Это связано с несоответствием требованиям пожарной безопасности. Но формулировка «нельзя применять» не означает, что его нельзя производить и продавать. Дешевизна делает этот шнур очень популярным.

Технические характеристики и условия эксплуатации

Производят кабель по техническим условиям 19К13−020−93 государственного стандарта. Предназначается он для освещения и подключения слабых электроприборов. Метод укладки шнура — неподвижный. Технические характеристики:

1. Токопроводящие жилы выполняются из медных нитей.
2. Материал изоляции — поливинилхлорид.
3. Свойства изоляции способны сохраняться при температурах в диапазоне от -50 до +50 градусов по Цельсию. Провод способен выдерживать длительный срок работы при температуре 70 градусов.
4. Монтаж можно осуществлять и в зимнее время. Разрешено проводить работы при -15. Если температуры более низкие, то изоляция может повредиться во время изгибов.
5. Разрешённый изгиб составляет 10 диаметров.

Срок эксплуатации изделия составляет 15 лет. Гарантия на кабель — всего лишь 2 года с момента начала использования.

Особенности применения

По действующим нормативным актам применять ПУГНП можно только в помещениях бытового или же промышленного назначения для подвода электропитания к приборам. Максимальные значения тока не должны превышать параметры проводника. Но довольно часто такой провод используют для прокладки силовой линии.

Во времена Советского Союза его применяли для создания электрической разводки в жилых домах и квартирах.

Технические условия, по которым создаётся этот шнур, позволяют производителям изменять площадь сечения в границах 30%. Это способствует снижению конечной стоимости кабеля за счёт уменьшения количества используемого материала. Когда потребитель приобретает провод ПУГНП с сечением в 2,5 мм, он на самом деле получает изделие в 2 мм. Неопытный человек вряд ли отличит качественную продукцию от плохой. При монтаже шнура в сеть, превышающую номинальную нагрузку, может возникнуть возгорание. Также такие провода не соответствуют нормативам по толщине изоляции. Настоящие стандарты подразумевают минимальный слой поливинилхлоридной оболочки в 0,4 мм.

Несмотря на все недочёты, полный запрет провод ПУГНП не получил. Любое изделие при стандартизации будет опасным, если его применять в неподходящих для этого условиях. Этот кабель можно использовать только в тех случаях, когда человек полностью уверен, что нагрузки не смогут спровоцировать воспламенение. Для повышения безопасности можно использовать гофрированную трубу.

Провод

ПУГНП: технические характеристики, расшифровка, применение

Среди большого разнообразия проводов и кабелей есть разные варианты. Каждый из них имеет свои преимущества (например, технические характеристики) и недостатки (скажем, стоимость). Среди дешевой продукции можно выделить провод ПУГНП, он имеет много общего с кабелем (два слоя изоляции, самые популярные сечения для бытовой электропроводки и т.д.). Сразу оговоримся, что по ПУЭ его нельзя применять в электропроводке из-за плохих противопожарных качеств. Однако спрос на этот проводник есть, и он обусловлен его стоимостью. Давайте посмотрим на технические характеристики ПУГНП, для чего он предназначен и что самое главное — чем опасен.

• Маркировка Пояснение
• Дизайн
• основные параметры
• Область применения

Маркировка Расшифровка

Наименование провода ПУГНП расшифровывается следующим образом:

• П — провод.
• ООН — универсальный.
• Г — гибкий.
• P плоский.

Вы могли заметить, что буква Г не на своем месте в обозначении, т.к. буквы УН — означают «универсальный». Неизвестно, почему так произошло. Но следует сказать, что существует монолитный провод ПУНП. кстати, он бывает и в медном, и в алюминиевом исполнении, в остальном его технические характеристики аналогичны ПУГНП.

В маркировке также указывается площадь поперечного сечения жилы, тип: ПУГНП 2х2,5. Это обозначение означает 2 провода диаметром 2,5 мм ² . Фактическое сечение может быть меньше 30% от номинального. Это связано с тем, что техническое задание, по которому изготавливается этот провод, не регламентирует строгое соблюдение сечения, в нем допустимая погрешность изготовления составляет 30 %. Это означает, что заявленные 1,5 «квадрата» в действительности могут быть равны 1, что на практике представляет большую опасность.

Исполнение

Провод состоит из двух или трех гибких многопроволочных жил, каждая из которых заключена в изоляцию, все жилы покрыты слоем общей изоляции. В ПУГНП нулевой провод маркируется синим цветом, а в трехжильном варианте — зелено-желтым (полосы) заземлением. Наружная изоляция белая, как видно на фото ниже. На этом описание внешних параметров заканчивается. Изготавливается по ТУ 3551-001-9.7568813-2008.

основные параметры

Технические характеристики провода ПУГНП:

1. Жилы выполнены из меди, не менее 7 проволок толщиной 0,3 мм каждая.
2. Напряжение: 450 В постоянного тока, 1000 В переменного тока.
3. Материал изоляции — ПВХ.
4. Диапазон рабочих температур от -50°С до +50°С. При длительном нагреве выдерживает до 70°С, а при кратковременном +80°С.
5. Температура монтажа не ниже -15°С, при большем морозе возможно повреждение изоляционного слоя.
6. Тип крепления — Фиксированный.
7. Гибкость: не менее 10 наружных диаметров проволоки.
8. Влажность окружающей среды до 100% (при t=+35°С).
9. Срок эксплуатации 15 лет.
10. Сопротивление изоляции 10 МОм.
11. Строительная длина от 100 м.
12. Диапазон сечения жил для двухжильных проводов от 0,35 мм ² до 6,0 мм ² , для трехжильных — от 0,35 мм ² до 4,0 мм ² .

Предлагаем ознакомиться с таблицей массы и наружного диаметра для отдельных сечений провода ПУГНП:

На рынке представлено множество производителей, выпускающих ПУГНП. Стоит отметить, что технические характеристики зависят от ответственности производителя. Среди них:

• ОАО «Беларуськабель», г. Мозырь
• ООО «Люк-Кейбл», г. Великие Луки
• ООО ТД ПромЭл, Орловская

Область применения

Провод предназначен для соединения цепей освещения до 250В~. Однако технические характеристики позволяют использовать его для питания силовых цепей, например, розеток. Допустимый ток кабеля зависит от его сечения, поэтому следует учитывать, что максимальное сечение жил ПУГНП до 6 мм ² . Это необходимо учитывать при расчете текущей нагрузки.

Как уже было сказано, этот проводник запрещен ПУЭ. На это есть несколько причин:

1. Изготавливается по устаревшим техническим условиям с большими допусками сечения. Кроме того, номинальное сечение в одном месте провода не гарантирует, что оно будет неизменным по всей длине. Возможно, в некоторых местах жилка будет тоньше.
2. Тонкая изоляция. Слой изоляции ПУГНП на жиле достигает в худшем случае 0,3 мм, внешний слой — до 0,5 мм. При этом по ПУЭ минимальная толщина утеплителя должна быть от 0,4 мм. Это приводит к незначительному повреждению изоляционного слоя. При укладке это стоит учитывать. Открытая прокладка, прокладка в грунте или в воде нежелательна (скорее всего недопустима). Нужно использовать гофрированные кабель-каналы или металлические трубы.
3. Тонкая изоляция ведет к повышенной опасности. пожарная проводка.

Однако, несмотря на запреты, часто этот проводник используется для линий времени. Для капитального ремонта проводки настоятельно рекомендуем посмотреть другие кабели. Чем можно заменить ПУГНП? Для качественной проводки можно использовать кабель ВВГ, ВВГнг или NYM — это его аналоги, не запрещенные ПУЭ.

Аналогичные статьи:

• Характеристики кабеля КВВГ
• Как определить сечение провода
• Как выбрать кабель для электропроводки

Опубликовано: 06.04.2018 Обновлено: 30.07.2018 Пока без коментариев

Визуализация и механическая характеристика различных соединений в паутинах

• Список журналов
• Научные отчеты
• PMC6453893

науч. респ. 2019; 9: 5776.

Опубликовано в Интернете 8 апреля 2019 г. doi: 10.1038/s41598-019-42070-8

, ^{1, 2} , ¹ , ² и ^{1, 3, 4}

Автор.

Дополнительные материалы

Заявление о доступности данных

Шелковая паутина и паутина кругов являются одними из наиболее изученных биологических материалов и структур благодаря их выдающимся механическим свойствам. Ключевой особенностью, которая в значительной степени способствует прочности и способности поглощать высокую кинетическую энергию паутины, является наличие соединений, соединяющих различные шелковые нити. Удивительно, но, несмотря на их фундаментальную функцию, механика соединений паутины никогда не сообщалась. Здесь, с помощью механической характеристики и визуализации, мы впервые показываем, что в паутине пауков есть два разных типа соединений, продуцируемых разными шелковыми железами, которые имеют различную морфологию и способность нести нагрузку. Эти различия можно объяснить разной ролью, которую они играют в паутине, т. е. обеспечением локализованного контроля повреждений или привязкой всей конструкции к окружающей среде.

Шелк паука — уникальный материал на белковой основе, вырабатываемый шелковыми железами пауков ^{1 – 3} . Благодаря своим выдающимся механическим свойствам, которые были тщательно исследованы ^{4 – 8} , шелк паука в настоящее время рассматривается для различных применений, от машиностроения до медицины ^{9 – 13} . В ходе своей эволюции пауки использовали свой шелк для различных целей, включая производство яичных мешочков, брачное поведение, самозащиту и поимку добычи.0033 ¹ , ² , ¹⁴ . Для захвата добычи круго-паутина (рис. ) является одной из наиболее эффективных структур, разработанных природой ¹⁵ .

Открыть в отдельном окне

( a ) Изображение шаровидной структуры (любезно предоставлено Федерикой Фабиетти), включая радиальные и спиральные нити, указанные стрелками. Соседние нити удерживаются вместе в точках соединения. Вся структура полотна крепится к земле с помощью дисков крепления. ( b ) СЭМ-изображение прикрепляющего диска, производимого Nuctenea umbratica, который прикрепляет паутину к субстрату. ( c ) Анкеровка полотна при механических характеристиках с помощью машины для испытаний на нанорастяжение. Здесь оборванное шелковое волокно, соединенное с диском, тянется до тех пор, пока диск полностью не отделится от бумажной подложки, обеспечивая кривую нагрузки-перемещения, описанную в ( d ). ( e ) СЭМ-фотография соединения, соединяющего спираль и радиальную нить, выделенную из паутины сфер, производимой видом Nuctenea umbratica; соединение не было металлизировано.

С механической точки зрения поведение сферической сети при внешних нагрузках, вызванных ветром и ударами, изучалось в основном с помощью численного подхода ^{16 , 17} . Выяснилось, что паутина может противостоять экстремальным ветровым нагрузкам благодаря наличию специальных креплений, надежно фиксирующих ее к поверхности ¹⁸ . Со структурной точки зрения эти крепления, или диски крепления, состоят из очень тонких (~десятков нанометров в диаметре) волокон, встроенных в матрицу с неизвестным химическим составом 9.0033 ¹⁹ – ²¹ (рис. ). Механические свойства таких дисков интенсивно изучались как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями. В частности, их механическое поведение изучалось с помощью теории многократного отслаивания и ее численной реализации ^{22 , 23} . Совсем недавно были проведены эксперименты, чтобы определить усилие отслаивания, необходимое для отделения креплений шелка паука от различных подложек (рис.) ^{24 – 26} .

Помимо креплений, другие важные особенности в значительной степени влияют на характеристики паутины. Это узлы, соединяющие разные нити друг с другом (рис. ) ²⁷ внутри одной сети (рис. ). На стыках нити паутины взаимодействуют синергетическим образом, что придает всей структуре уникальную способность минимизировать площадь, поврежденную ударом объекта, например. мухи ¹⁷ . Однако, несмотря на их фундаментальную роль, соединения паутины никогда не были глубоко охарактеризованы. Таким образом, здесь мы уделяем особое внимание роли, которую играют эти структурные элементы, и уделяем особое внимание их морфологии и механическим свойствам.

В литературе принято считать, что соединения являются результатом локализованного отложения шелкового секрета, вырабатываемого грушевидными железами пауков ² , которые являются теми же железами, которые производят шелк, используемый для прикрепляющих дисков (рис. . ). Однако экспериментальные данные этой работы, согласно Васантхаваде и др. . ²⁸ показывает, что также задействованы агрегатные железы, которые обычно используются для образования капель клея в улавливающих спиральных нитях ²⁹ (рис. ).

Открыть в отдельном окне

( a ) Схема шарового полотна, состоящего из спиральной ( b ) и радиальной ( c ) нитей. ( d ) СЭМ-изображение соединения, состоящего из двух спиральных нитей и одной радиальной нити. ( e ) СЭМ-изображение соединения двух радиальных нитей. Между двумя типами соединений можно наблюдать существенную разницу. ( f ) Схема образца полотна, закрепленного на бумажной рамке для проверки структурных свойств соединения. ( g ) Образец соединения при механических характеристиках с помощью машины для испытаний на нанорастяжение и ( h ) оставшаяся структура после разрушения соединения.

Наконец, чтобы объяснить необходимость наличия двух разных соединений в паутине сфер, мы впервые провели как морфологический анализ, так и испытания механических характеристик.

В структуре паутины можно выделить два вида соединения по типу вовлеченных нитей (либо спиральные, либо радиальные, рис. ). Если сравнить их морфологию (рис. и ), выявляется несколько различий. Соединения между радиальными нитями, расположенные по краям полотна (рис.  ) или в местах прикрепления его к подложке, имеют форму множественных фибрилл. Эта морфология похожа на морфологию прикрепительного диска (рис. ) и, таким образом, может быть также произведена грушевидными железами ² . С другой стороны, соединения, включающие как радиальную, так и спиральную резьбу, выглядят совершенно иначе (рис. ). Действительно, они состоят из капли клея, похожей на капли, зацепившиеся за спиральные нити (рис. и ). Таким образом, как и эти последние, они могли быть произведены и агрегатными железами. Роль агрегатных желез в образовании такого рода соединений в паутине сфер никогда не сообщалась, а наблюдалась только в трехмерной паутине початков Vasanthavada et al . ²⁸ .

Открыть в отдельном окне

Пример Кривые нагрузки/перемещения, полученные при тестировании различных образцов полотна, каждый из которых включает разное количество/тип шелковых нитей и соединений. Эти кривые были получены вытягиванием до полного отделения: ( a ) спиральной нити от радиальной нити; ( b ) спиральная нить из радиальной нити, соединенная с другой спиральной нитью; ( c ) спиральная нить образует сложную систему с более чем одной спиральной нитью, соединенной с одной радиальной нитью; ( d ) радиальная резьба из радиальной резьбы. Изображения показывают, что соединения, включающие либо спиральные и радиальные нити, либо только радиальные нити, характеризуются различной морфологией. Масштабная линейка: 10 мкм.

Для того чтобы оценить механические свойства всех соединений паутины шара, мы выделили из паутины шара пять различных образцов, каждый из которых включал определенное количество соединений и шелковых нитей (рис. ): (а) Т-образная спираль-к -радиальный переход (TSR), (b) Крестообразный спирально-радиальный переход (CSR), (c) Сетчатый спирально-радиальный переход (NSR), (d) Т-образный радиально-радиальный переход ( TRR) и радиально-поверхностное соединение (RFS, здесь сообщается для сравнения с литературой). Первая испытанная конфигурация (а) состоит из спиральной нити, соединенной почти перпендикулярно с радиальной нитью с помощью заполнителя шелкового клея (рис. ). Второй (б) аналогичен предыдущему, но с другой спиральной нитью, расположенной перпендикулярно радиальной резьбе, что приводит к крестообразной форме с заполнителем клеем посередине (рис.  ). Третья испытанная конфигурация (в) относится к более сложной структуре полотна, состоящей из поддерживающей радиальной нити, пересекающей четыре перпендикулярных спиральных нити, соединенных через агрегатный шелк (рис.  ). Четвертая тестируемая конфигурация (г) имеет Т-образную форму, которая отличается от типа (а), так как состоит только из радиальных нитей, соединенных мультифибрильной структурой, напоминающей морфологию грушевидного шелка (рис. ). Пятый образец (рис.) представляет собой весь прикрепительный диск паутины, продуцируемый грушевидной железой.

Для исследования механических свойств было рассмотрено десять повторений для каждого типа соединения, где спиральная или радиальная резьба вытягивалась из его соединения (рис., ^S1 – ^S6 , таблицы ^S1 – ^S5 и Видео  ^S1 – ^S5 ). Мы обнаружили, что средняя сила, необходимая для разрыва соединения TSR (тип а), составляла 0,4 ± 0,2 мН, с рассеиваемой энергией 1,5 ± 1,1 мкДж и средним смещением при разрыве 9 ± 4 мм (рис.  ). Мы заметили, что после разрушения поддерживающая радиальная резьба осталась неповрежденной (рис. 9).0033 S2 ). Для перехода CSR (тип b) мы обнаружили, что средняя сила при разрыве составляла 0,9 ± 0,2 мН, его рассеиваемая энергия составляла 3,4 ± 1,8 мкДж, а его среднее смещение при разрыве составляло 10 ± 5 мм (рис. ). Несущая конструкция осталась целой после разрыва соединения и в этом случае (рис. ^S3 ). Образец NSR (тип c) показал среднее усилие при разрыве 1,3 ± 0,5 мН, рассеянную энергию 7,4 ± 5,5 мкДж с соответствующим средним смещением при разрыве 19 ± 5 мм (рис. ). После разрыва соединения, связанного со спиральной нитью, к которой прикладывалась сила, оставшаяся структура осталась неповрежденной (рис. 9).0033 С4 ). Средняя максимальная нагрузка, которую может выдержать переход TRR (тип d), составила 9 ± 2 мН, его рассеиваемая энергия 19 ± 8 мкДж с соответствующим смещением при разрыве 5 ± 1 мм (рис. ). Поддерживающая радиальная резьба осталась неповрежденной после разрушения соединения (рис. ^S5 ). Наконец, образец анкеровки показал среднее усилие при разрыве 18 ± 10 мН, рассеянную энергию 26 ± 10 мкДж с соответствующим средним смещением при разрыве, равным 2,9 ± 1,2 мм (рис. ). Начальная длина вытягиваемой нити у всех испытуемых образцов составляла 0,5 см.

Открыть в отдельном окне

Максимальная нагрузка/смещение и ударная вязкость, полученные после испытаний различных образцов полотна. Все смещения относятся к начальной длине 0,5 см. Во втором столбце сообщается, что осталось после отказа образца: во всех протестированных конфигурациях несущая конструкция осталась целой после отказа соединения (т. е. полного отрыва натянутой нити). Ударную вязкость рассчитывали путем расчета площади под кривыми нагрузка-перемещение.

Чтобы интерпретировать различия между значениями силы, записанными для каждого образца соединения, мы выполнили как ANOVA, так и анализ статистики Вейбулла (таблицы ^S1 – ^S5 , ^S9 и вспомогательные рисунки ^S6 – ^S14 ) . В частности, силы разделения соединений значительно различались для всех типов соединений (ANOVA, p ~ 0, все попарные сравнения p < 0,05). Интересно, что самое высокое значение p (~ 0,02) наблюдалось для соединений CSR и NSR (таблица 9).0033 С9 ). Действительно, распределения Вейбулла, полученные из данных, доступных для образцов CSR и NSR, очень похожи, в то время как распределения, соответствующие образцам с радиальными нитями, показывают гораздо большую разницу по сравнению с теми, которые содержат спиральные резьбы.

Два признака, общие для всех испытанных образцов, связаны с максимальным усилием, которое регистрируется при полном отрыве протянутой нити от места соединения (рис. ^S2 – ^S5 и видео ^S1 – ^S5 ), и форма образца после механического испытания, структура которого (состоящая либо из другой нити, либо из более сложной архитектуры) выглядит так же, как и до испытания, за исключением вытянутой нити. Это свидетельствует о способности структуры полотна локализовать повреждение вне зависимости от размера анализируемого участка.

Что касается структурных свойств, собранных на рисунках и , мы сразу видим, что соединения, включающие только радиальные нити, такие как конфигурации TRR или RFS, которые в основном состоят из грушевидного шелка, намного прочнее (в 23 раза и 46 раз, соответственно, по сравнению с TSR), но более жесткие (с рассеиваемой энергией в 13 и 26 раз больше, чем у образца TSR соответственно), чем со спиральными нитями, которые в основном состоят из агрегатного шелка. Такой результат также подтверждается статистическим анализом разрывного усилия (табл. 9).0033 S1 – ^S5 , ^S8 и рис. ^S6 – ^S11 ). Это можно легко объяснить, если вспомнить различное положение, которое такие соединения занимают в структуре паутины. В частности, места соединения радиальных нитей, расположенные на краю полотна, должны выдерживать более высокие нагрузки (например, скоростной ветер) по сравнению с областью, встроенной в границу полотна, которая в основном предназначена для остановки добычи. В этой области совокупный шелк соединяет спиральные нити с радиальными нитями, придавая паутине ее классическую форму шара. Спирально-радиальные соединения нитей действуют как фильтры для выбора подходящей добычи для паука и предотвращения бесполезного повреждения паутины. Поскольку большие нагрузки могут быть фатальными для конструкции, вызывая продолжительное и необратимое повреждение, объекты с высокой кинетической энергией могут проходить через полотно, вызывая локальный разрыв, например. одного соединения (который, таким образом, ведет себя как жертвенный элемент). Таким образом, становится необходимым существование двух разных типов соединения: один (т. е. соединение на основе грушевидного соединения) для выдерживания высоких нагрузок и удержания конструкции в целом, а другой (т. е. соединение на основе агрегата) для ловли добычи без нарушения целостности. всей конструкции и позволяет паукам экономить энергию при восстановлении паутины после удара ¹⁷ . Наконец, из наших испытаний можно заметить, что, когда мы вытягиваем радиальную нить из соединения спираль-радиальная нить, жесткость несущей конструкции играет роль в определении механических свойств образца полотна. Действительно, переходя от TSR к CSR и NSR, увеличение сложности и жесткости конструкции, задаваемое добавлением одной или нескольких спиральных нитей, соединенных с той же радиальной нитью, приводит к увеличению максимальной силы, а также к увеличению смещения при разрыве и рассеиваемая энергия (табл.  ^S6 – ^S8 ). Это также согласуется с тем, что установлено для конфигурации TRR, которая жестче и жестче, чем образец TSR. Радиальные нити сами по себе более жесткие, чем спиральные, с модулем Юнга ~1 ГПа, что на порядок больше, чем у спиральных нитей (~0,1 ГПа). Ссылаясь на увеличение силы в CSR (2.4) и NSR (3.3) по отношению к образцам TSR (таблица ^S5 ), это имеет тенденцию насыщаться с увеличением сложности (например, жесткости) самой конструкции (сила при перерыв NSR всего в 1,4 раза больше, чем у CSR, несмотря на добавление ряда потоков). Это говорит о том, что после добавления определенного количества витков к анкеру больше не происходит увеличения несущей способности соединения.

Эволюция за 400 миллионов лет создала паутину сфер как структуру, способную одновременно останавливать летящую добычу, локализовать повреждения после ударов и выдерживать высокие нагрузки. Взаимодействие между нитями и их крепление к субстрату может объяснить механическую эффективность сетей сфер. Это взаимодействие опосредовано наличием соединений, соединяющих нити друг с другом или с окружающей средой. В этой работе мы заметили, что существуют два разных типа соединений, и измерили силу, необходимую для их разрыва в разных конфигурациях. Первый тип, по-видимому, состоит из агрегатного шелка, который используется пауками для соединения радиальных и спиральных нитей, а также для снабжения спиральных нитей липкими каплями. Второй тип, по-видимому, состоит из грушевидного шелка, который в основном используется для соединения радиальных нитей вместе и/или радиальных нитей с подложкой. Первый тип соединения показал более низкую разрушающую силу по сравнению со вторым типом, даже если наблюдалось увеличение как силы, так и смещения при разрыве, связанное с повышенной структурной сложностью. Эту разницу в силе разрыва можно объяснить, если принять во внимание различные роли, которые эти типы соединений играют в паутине сфер. Действительно, соединения между двумя радиальными нитями и между радиальными нитями и поверхностями должны выдерживать более высокие нагрузки, так как они поддерживают всю структуру стенки, а соединения со спиральными нитями должны гарантировать локализацию повреждений (например, прочность стенки), т. е. разрушаться при меньших нагрузках.

Наша работа может предоставить новую информацию, которая прольет свет на механическое поведение паутины-шара и может быть использована для разработки новых биологических сетей и тканей с превосходными механическими свойствами.

Уход за пауками и изготовление паутины

Изучаемым пауком был Nuctenea umbratica (Clerck 1876), обычный ночной паук, который обычно плетет свою паутину ночью. Мы содержали трех особей в стеклянном террариуме размером примерно 30 × 30 ×40 см. Все пауки были взрослыми самками и получали еженедельный рацион из Blaptica dubia , которые были выведены в «Лаборатории биоинспирированной и графеновой наномеханики» и еженедельно кормились морковью и кормом для рыб. Все террариумы устанавливались одинаково с тремя длинными палками, обтянутыми бумагой, прикрепленными к стенке террариума. В каждом террариуме было предусмотрено небольшое убежище из бумаги в правом углу клетки, чтобы паук мог чувствовать себя защищенным и жить без стресса в течение дня. Каждый паук создал свою паутину через несколько дней.

Подготовка проб

Исследуемые образцы были приготовлены в соответствии с той же процедурой, описанной Blackledge et al. . ³⁰ и Grawe и др. . ²⁴ Мы наклеили образцы паутины на бумажную рамку с квадратным окошком со стороной 1 см. Образец полотна крепился к бумажному каркасу с помощью двустороннего скотча. Перед сбором образцов паутины мы проверили направление процесса прядения. Имея в виду крепления, мы наклеили черную бумагу на стенки террариума, где паук крутит насадочный диск. Затем мы отрезаем часть бумаги, содержащую анкерное крепление, и закрепляем ее на деревянном бруске (2 × 0,5 × 0,5 см ³ ). Этот блок крепился к предыдущей бумажной опоре путем присоединения радиальной нити к верхней части рамки.

Оптические и SEM-изображения

Для характеристики морфологии мы использовали оптический микроскоп (Jenavert) с 20-кратным увеличением. Микроскоп снабжен камерой (Canon), подключенной к компьютеру для дистанционного управления.

Для характеристики SEM мы использовали Zeiss – 40 Supra. Металлизация производилась на распылительной машине Q150T в режиме напыления Pt/Pd 80:20 в течение 5 минут. Для рисунка мы не металлизировали образец, и снимок был сделан при 2,0 кВ, увеличении 1300 с детектором вторичных электронов. Для рисунка снимок был сделан при 2,0 кВ, увеличении 103 и с детектором вторичных электронов. Ссылаясь на рис., снимки были сделаны при 2,0 кВ, 15 кВ, 2,0 кВ и 15,0 кВ, 1290, 5580, 2520 и 641 увеличения соответственно с детектором вторичных электронов во всех случаях.

Механическая характеристика

Для механической характеристики мы использовали машину для испытаний на нанорастяжение (Agilent Technologies T150 UTM) с тензодатчиком 500 мН. Скорость смещения составляла 10 мкм в секунду при частотной нагрузке 20 Гц. Образцы устанавливались таким образом, чтобы вытягивать спиральную или радиальную нить (в зависимости от образца) в направлении, противоположном вращению паука. Заявленная чувствительность машины составляет 10 нН по нагрузке и 1А˙ по перемещению в динамической конфигурации. Тесты записывались на камеру Sony. Для каждой конфигурации было испытано десять образцов.

Дополнительное видео 1 ^{(25M, MP4)}

Дополнительное видео 2 ^{(2,6 млн., MP4)}

Дополнительное видео 3 ^{(8,2 млн., MP4)}

Дополнительное видео 4 ^{(3,0M, MP4)}

.

Дополнительное видео 5 ^{(6.7M, mp4)}

Дополнительная информация ^{(761K, pdf)}

Авторы благодарят Лоренцо Москини, проф. Университет Тренто) за их поддержку изображений SEM. Н.М.П. поддерживается Европейской комиссией в рамках гранта Graphene Flagship Core 2 № 785219(WP14 «Композиты») и грант FET Proactive «Neurofibres» № 732344, а также Министерством образования, университетов и исследований Италии (MIUR) в рамках гранта «Departments of Excellence» L. 232/2016 и ARS01-01384- ПРОСКАН.

Н.М.П. руководил исследованием и анализом данных. ГАРАНТИРОВАННАЯ ПОБЕДА. и М.Ф.П. разработал исследование, провел эксперименты, получил данные и написал рукопись. Б.М. и Н.М.П. помог написать рукопись. Все авторы просмотрели и одобрили окончательный вариант рукописи и имели возможность прокомментировать более ранние черновики.

Авторы заявляют, что данные, подтверждающие результаты этого исследования, доступны в статье и ее дополнительных информационных файлах.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительная информация прилагается к данному документу по адресу 10.1038/s41598-019-42070-8.

1. Феликс Р. Биология паука . Oxford University Press 53 (2011).

2. Нентвиг, В. Экофизиология пауков . Экофизиология пауков , 10.1007/978-3-642-33989-9 (2013).

3. Мэдсен Б., Шао З.З., Фоллрат Ф. Изменчивость механических свойств паутины на трех уровнях: межвидовом, внутривидовом и внутрииндивидуальном. Междунар. Дж. Биол. макромол. 1999; 24:301–306. doi: 10.1016/S0141-8130(98)00094-4. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

4. Плаза Г.Р., Гвинея Г.В., Перес-Ригейро Дж., Элисес М. Термогигромеханическое поведение шелка паучьего драглайна: стеклообразное и эластичное состояния. Дж. Полим. науч. Часть Б Полим. физ. 2006; 44: 994–999. doi: 10.1002/polb.20751. [CrossRef] [Google Scholar]

5. Das R, et al. Биомеханическая характеристика паутины. Дж. Мех. Поведение Биомед. Матер. 2017;67:101–109. doi: 10.1016/j.jmbbm.2016.12.008. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

6. Plaza GR, et al. Взаимосвязь между микроструктурой и механическими свойствами волокон шелка паука: выявление двух режимов микроструктурных изменений. Мягкая материя. 2012;8:6015. дои: 10.1039/c2sm25446h. [CrossRef] [Google Scholar]

7. Гвинея Г.В., Элисес М., Перес-Ригейро Дж., Плаза Г. Самозатягивание паутинных шелковых волокон под действием влаги. Полимер (Гильдф). 2003; 44: 5785–5788. doi: 10.1016/S0032-3861(03)00625-6. [CrossRef] [Google Scholar]

8. Perez-Rigueiro J. Влияние силы вращения на свойства шелка паука. Дж. Эксп. биол. 2005; 208: 2633–2639.. doi: 10.1242/jeb.01701. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

9. Фоллрат Ф. Биология шелка паука. Междунар. Дж. Биол. макромол. 1999; 24:81–88. doi: 10.1016/S0141-8130(98)00076-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

10. Четинкая М., Сяо С., Маркерт Б., Стакли В., Гретер Ф. Механика шелкового волокна на основе многомасштабного анализа распределения сил. Биофиз. Дж. 2011; 100:1298–1305. doi: 10.1016/j.bpj.2010.12.3712. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

11. Клюге Ю.А., Работягова О., Лейск Г.Г., Каплан Д.Л. Паучьи шелка и их применение. Тенденции биотехнологии. 2008; 26: 244–251. doi: 10.1016/j.tibtech.2008.02.006. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

12. Vollrath F, Porter D. Шелк паука как типичный белковый эластомер. Мягкая материя. 2006; 2:377. doi: 10.1039/b600098n. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Льюис Р.В. Шелк паука: древние идеи для новых биоматериалов Шелк паука: древние идеи для новых. Биоматериалы. 2006; 106:3762–3774. [PubMed] [Google Scholar]

14. Эйзольдт Л., Смит А., Шейбель Т. Расшифровка секретов паучьего шелка. Матер. Сегодня. 2011;14:80–86. doi: 10.1016/S1369-7021(11)70057-8. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

15. Бутри С., Блэкледж Т.А. Мокрая паутина работает лучше: влажность, сверхсжатие и производительность паутинной сети. Дж. Эксп. биол. 2013;216:3606–3610. doi: 10.1242/jeb.084236. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

16. Асакура Т. и Миллер Т. Биотехнология шелка . 5 (2014).

17. Крэнфорд С.В., Тараканова А. , Пуньо Н.М., Бюлер М.Дж. Нелинейное поведение материала шелка паука дает прочную паутину. Природа. 2012; 482:72–76. дои: 10.1038/nature10739. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

18. Pugno NM, Cranford SW, Buehler MJ. Синергетическая оптимизация материала и структуры обеспечивает надежное крепление паутины. Маленький. 2013;9:2747–2756. doi: 10.1002/smll.201201343. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

19. Blasingame E, et al. Пириформный спидроин 1, новый член семейства генов шелка, который закрепляет шелковые волокна драглайна в прикрепленных дисках паука черной вдовы, Latrodectus hesperus. Дж. Биол. хим. 2009; 284:29097–29108. дои: 10.1074/jbc.M109.021378. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

20. Kovoor J, Zylberberg L. Тонкие структурные аспекты шелковой секреции dladematus. В. Тканевая клетка. 1980; 12: 547–556. doi: 10.1016/0040-8166(80)

-0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

21. Kovoor J, Zylberberg L. Тонкие структурные аспекты секреции шелка у паука. Тканевая клетка. 1982; 14: 519–530. doi: 10.1016/0040-8166(82)

-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

22. Pugno NM. Теория многократного пилинга. Междунар. Дж. Фракт. 2011; 171: 185–19.3. doi: 10.1007/s10704-011-9638-2. [CrossRef] [Google Scholar]

23. Brely L, Bosia F, Pugno NM. Численная реализация теории множественного отслоения и ее применение к якорным креплениям паутины. Интерфейс Фокус. 2015;5:20140051. doi: 10.1098/rsfs.2014.0051. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

24. Grawe I, Wolff JO, Gorb SN. Состав и зависящая от субстрата прочность шелковых прикрепленных дисков у пауков. Дж. Р. Соц. Интерфейс. 2014;11:20140477–20140477. дои: 10.1098/rsif.2014.0477. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

25. Вольф, Дж. О., Ван дер Мейден, А. и Герберштейн, М. Э. Различные модели вращения обеспечивают дифференцированную устойчивость к нагрузке на крепления шелковой нити у пауков с различной экологией. Проц. Р. Соц. Б биол. Наука . В прессе (2017). [Бесплатная статья PMC] [PubMed]

26. Wolff JO, Grawe I, Wirth M, Karstedt A, Gorb SN. Суперклей Паука: резьбовые анкеры представляют собой композитные клеи с синергетической иерархической организацией. Мягкая материя. 2015;11:2394–2403. doi: 10.1039/C4SM02130D. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

27. Meyer A, Pugno NM, Cranford SW. Соответствующие нити максимально увеличивают прочность и жесткость соединения паутинного шелка. Дж. Р. Соц. Интерфейс. 2014;11:20140561–20140561. doi: 10.1098/rsif.2014.0561. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

28. Vasanthavada K, et al. Белки паутинного клея имеют различную архитектуру по сравнению с традиционными членами семейства спидроинов. Дж. Биол. хим. 2012; 287:35985–35999. doi: 10.1074/jbc.M112.399816. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

29. Opell BD, Schwend HS. Адгезионная эффективность нитей для захвата добычи пауков.