龙虾风格的护甲

甲壳动物真的可以阻止超速驾驶吗?

照片由creozavr,Pixabay上的免费图片

龙虾是大海中披着斗篷的十字军。 他们的防弹衣很坚韧。 他们的爪子很结实。 他们的肉很好吃。 但是,这些居住在底层的甲壳类动物可能比目睹的更多。 麻省理工学院和哈佛大学的科学家是这样认为的。

麻省理工学院Ming Guo实验室与哈佛大学的合作者最近进行的一项研究破解了龙虾肋骨的奇妙特性。 研究人员发表在《 Acta Biomaterialia 》杂志上,研究人员确定了美国龙虾膜的“力学和介观结构”,着眼于开发灵活而耐用的防弹衣。

郭在与麻省理工学院新闻的讨论中说,他在吃龙虾的同时提出了一种灵感来自龙虾的防弹衣的构想,并注意到“动物腹部的透明膜很难咀嚼”。 尽管研究人员长期研究了坚硬的甲壳类动物外骨骼,但它们柔软,水润的内部仍然是个谜。

美国龙虾的底面。 Paula Ouder摄。

在这项研究中,麻省理工学院的研究小组研究了龙虾尾巴下面的白色软骨样物质,发现它具有惊人的物质特性。 尽管它由大约90%的水组成,但它与橡胶一样坚硬并且具有“容错性”,这意味着切成一层不会对其他层的性能产生负面影响。 这些特性,加上其弹性,使其非常适合于柔性装甲。

然后作者进行了大量测试,以确定该生物来源材料的特性。 他们发现,它可以承受的压力高达23.36 MPa(超过2300万帕斯卡),大致相当于大功率高压清洗机的喷水压力或大功率气枪的腔室压力。

尽管主要由水组成,但这种材料中的“活性成分”是几丁质几丁质是一种化学聚合物,由许多糖连接在一起。 与纤维素相似,几丁质是自然界中最丰富的化学物质之一,它构成了甲虫,蜘蛛和蚂蚁的坚硬外壳。

甲壳素之所以令人印象深刻,是因为它可以轻松地堆叠成三维格子,从而在不严重影响柔韧性的情况下增加了强度。 在研究文章中,作者提到龙虾底面由“数以万计的层”组成,这些层的堆积方式类似于胶合板中的木纤维。

蜘蛛腿的显微镜图像,强调了硬质的几丁质材料,毛发是从中挤出的。 图片由Janice Haney Carr,利亚·洛瑞(Leah Lowrey),迈克尔·史密斯(Michael Smith),USCDCP摄。

既然已经描述并发布了材料属性,那么相对简单地使用数字并解决我们所有的问题:

停止飞速行驶的子弹需要多少只龙虾?

如果龙虾的“几丁质”腹部具有23.36 MPa的抗张强度(衡量材料在张力下断裂的抵抗力的度量),那么要停止飞速的子弹需要多少龙虾腹部?

想象一下,一支重30克的子弹以每秒150米(每小时约500英里)的速度从手枪发射。 为了将子弹停在10毫米的距离(典型的防弹背心厚度)中,应施加多大的力 需要?

子弹的初始速度= 150 m / s

子弹的最终速度= 0 m / s(停止的子弹)

距离变化(delta_x)= 10毫米或0.01米

使用这些变量,我们可以用以下公式解决子弹撞击材料时的加速度:

最终速度²=初始速度²+ 2a(delta_x)

使用这个公式,我们确定当子弹击中防弹衣时的加速度为-1,125,000 m /s²。 给定30克子弹的质量并求解F = ma,我们确定使子弹停止所需的力为33,750牛顿

这是 成年鳄鱼咬力的 三倍以上 kes! 根据美国国家司法机构人体防弹衣分类,凯夫拉尔背心需要16层才能阻挡大多数手枪弹。 Kevlar的抗拉强度为3,620 MPa(比龙虾腹部强154倍)。

如果16层凯夫拉尔纤维(每层的抗张强度为3,620 MPa)可以阻止这种子弹,那么大约有几层龙虾腹部可以做同样的事情? 好吧,粗略估算大约是2500。

16层Kevlar * 3,620 MPa = 57920 MPa

将该值除以23.36 MPa,即可确定所需的几丁质层数。 〜2500

但这是一个高估,因为当子弹穿过某种材料时,它必须施加某种能量才能将物质移开 。 并非所有力都用于穿透材料。 额外的能量以热的形式释放。 因此,更好的估计是介于100到2500层之间(可能更接近该范围的下限-假设为300)。 每个实验都从一个猜测开始,因此我对此概不感到内。