Почему муравей не падает с потолка, хотя висит вниз головой
Муравей пробегает по потолку кухни, останавливается вниз головой, повисает на передних лапах — и продолжает путь. Ни веревки, ни клея, ни насечек на штукатурке. Держится он за гладкую поверхность на весу, ползёт по стеклу банки, по пластику, по полированной полке. Полтора миллиграмма, а вопрос тот же, что у альпиниста: как не сорваться и, главное, как потом отцепиться.
С «липкими лапками» всё не так просто. Приклеиться легко, а вот отклеиться — работа. Если лапа приросла намертво, муравей не пойдёт, а встанет. Поэтому у него не одна система сцепления, а две, и они работают в противоположных направлениях. Это разобрали по силам, нога за ногой.
Тридцать ног на стекле и динамометр
В 2015 году в PLOS ONE вышла работа Эндлайна и коллег: они изучали муравьёв-ткачей, Oecophylla smaragdina, бегущих вертикально по гладкому стеклу. Метод был прямой — кинематика ног плюс измерение силы реакции опоры отдельно для одной ноги.
Оказалось, что муравей не просто цепляется всеми лапами одинаково. Он делит ноги на две команды относительно центра масс. Ноги выше центра масс тянут — и работают при этом «пальцами», аролиями на конце лапы. Ноги ниже центра масс толкают — и касаются поверхности «пятками», третьим и четвёртым члениками лапы с плотной щёткой волосков.
Деление не символическое. Ноги выше центра масс несли заметно большую долю веса тела, чем ноги ниже. То есть муравей висит в основном на передних лапах, а задние работают как отталкивание, а не как подвес.
Второй результат — про волоски. Сила трения росла вместе с прижимающей нагрузкой, и причина механическая: волоски под нагрузкой изгибаются и ложатся боком, увеличивая площадь контакта. Чем сильнее тянет — тем крепче держит.
Одна миллисекунда в запасе
Но у такой схемы есть уязвимость: если порыв ветра или капля дождя резко дёрнет поверхность, никакой нервный сигнал не успеет. Пока импульс дойдёт от лапы до мозга и обратно, муравей уже улетит.
В 2013 году та же группа проверила, что происходит при резком сдвиге поверхности под муравьём. Съёмка с высокой частотой показала: площадь контакта подушечки увеличивалась более чем вдвое в первую же миллисекунду после рывка. Быстрее любого рефлекса — потому что это вообще не рефлекс, а пассивная реакция: геометрия и упругость самой лапы. Авторы называют это префлексом.
Практический смысл: обычно муравей использует лишь часть доступной площади контакта, ходит «на цыпочках». А когда что-то дёрнуло — лапа сама расплющивается и цепляется сильнее. Он экономит сцепление, чтобы не отдирать лапу с усилием на каждом шаге, и тратит его только в момент удара.
Зачем вторая система
Сложим обе работы. Муравей не «прилипает» к потолку. Он держится на трении и пассивной деформации, распределяя нагрузку между передними и задними лапами, и держит в запасе мгновенный резерв контакта, который срабатывает без участия нервов.
Отсюда и ответ на исходный вопрос. Если сорвать муравья неожиданно, он может удержаться. Если же отрывать плавно и с постоянной силой, он отцепится — потому что отцепиться ему тоже нужно, и быстрее, чем удержаться.
Оговорки
Всё это получено на одном виде и на гладком стекле. Шероховатая поверхность — отдельная история: там больше значат не подушечки, а сцепление волосков с неровностями. И часть выводов о силах сделана на отдельной ноге, а не на целом муравье в движении.
Но главное — приложимо далеко не только к муравьям. Двухрежимное сцепление и пассивная страховка изучаются в том числе ради роботов, которым нужно ползать по стенам, не теряя скорости. Инженерам интересна как раз та самая миллисекунда.
А вы замечали, что муравьи на столе бегут, а в раковину не падают? Напишите в комментариях — собираю наблюдения за домашними. Дальше разберу, почему у нас хрустят суставы и что там на самом деле щёлкает. Если такие истории вам интересны, подписывайтесь на «Под лупой».
Источники: Endlein T. et al. On Heels and Toes: How Ants Climb with Adhesive Pads and Tarsal Friction Hair Arrays. PLOS ONE 2015;10(11):e0141269, DOI https://doi.org/10.1371/journal.pone.0141269; Endlein T. et al. Rapid preflexes in smooth adhesive pads of insects prevent sudden detachment. Proceedings of the Royal Society B 2013;280, DOI https://doi.org/10.1098/rspb.2012.2868; Federle W. Locomotion and adhesion: dynamic control of adhesive surface contact in ants. Arthropod Structure & Development 2004, DOI https://doi.org/10.1016/j.asd.2003.11.001.