Поведение существующих в природе мягких тканей

Если мы хотим, чтобы капельки не сливались и существовали раздельно,мы должны сделать так, чтобы они отталкивались друг от друга. Это называется”стабилизацией эмульсии”, и этот процесс довольно сложен. Одним из стабилизирующихфакторов служит электрический заряд, создаваемый на поверхности капель,для чего эмульсии подвергаются воздействию электролитов, таких, как кислотыи щелочи. Если стабилизация выполнена надлежащим образом, то, чтобы заставитькапли слиться друг с другом, требуется произвести значительную работу,несмотря на выигрыш в поверхностной энергии. Именно поэтому так трудновзбивать сливки при приготовлении масла – Природе довольно хорошо удаетсясоздавать стабилизированные эмульсии.

О поверхностном натяжении в роли оболочки, мембраны или контейнера дляочень маленьких округлых живых веществ, хотя оно и имеет в этом плане некоторыесерьезные недостатки, можно было бы сказать многое. Следует отметить, чтотакая оболочка очень легко растягивается и в то же время обладает свойством”самозалечиваемости”. С другой стороны, она очень упрощает задачу размножения,поскольку, если капелька увеличивает свои размеры, она может поделитьсянадвое и превратиться в две капельки.

Поведение существующих в природе мягких тканей

Насколько мне известно, в наше время практически нет клеток, стенкикоторых созданы просто механизмом поверхностного натяжения. Однако с механическойточки зрения стенки многих реально существующих клеток ведут себя довольноблизко к тому, как вели бы себя подобные стенки. Одна из трудностей, которыемогли бы возникнуть, если бы использовалось просто поверхностное натяжение,состоит в том, что сила поверхностного натяжения постоянна, – ее нельзяувеличить, сделав оболочку толще, и это накладывает ограничение на наибольшиеразмеры “контейнеров”, построенных по такой схеме.

Однако Природа вполне способна создавать материалы, которые имеют свойстваповерхностного натяжения, так сказать, “по всей их толщине”. Испытываянекоторое смущение, приведу все же в качестве примера следующий многимзнакомый факт. Когда зубной врач просит сплюнуть в его ванночку, струйкаслюны иногда бесконечно растягивается и практически не разрывается. Молекулярныймеханизм такого поведения остается совершенно непонятным, а в терминахнапряжения и деформации это поведение выглядит примерно так, как показанона рис. 48.

Рис. 48. Кривые деформирования стали, кости и слюны.

Большинство тканей животных не так растяжимы, как слюна, но вплоть допятидесятипроцентных деформаций очень многие из них обнаруживают аналогичноеповедение. Более или менее похожим образом мочевой пузырь у молодых людейможет растягиваться до деформаций примерно 100%, а у собак – 200%. Какупоминалось в гл. 2, мой коллега д-р Юлиан Винцент недавно показал, что,в то время как мягкая кожица самца саранчи и молодой самки саранчи могутпереносить деформации приблизительно до 100%, мягкая кожица беременнойсамки саранчи может растягиваться до неправдоподобно большой величины -до деформаций 1200% и после этого не теряет способности полностью возвращатьсяк своему первоначальному состоянию.

Хотя зависимость напряжения от деформации для большинства пленок и другихмягких тканей и не выражается строго горизонтальной прямой, она часто приближаетсяк ней, во всяком случае вплоть до деформаций около 50%. Представляетсяинтересным выяснить, каковы следствия такой зависимости. Действительно,любая конструкция из подобных материалов должна с необходимостью напоминатьнечто состоящее из пленок жидкости, на которые действует поверхностноенатяжение. Принимая ванну, вы без труда можете понаблюдать за поведениемтаких пленок – мыльных пузырей.

Важно то обстоятельство, что упомянутого рода материал или оболочка- это, по существу, “устройство постоянного напряжения”, то есть напряжениев нем может принимать только одно-единственное значение, и это напряжениебудет действовать во всех направлениях. Единственной формой оболочки, совместимойс этим условием, является сфера или часть сферы. Это хорошо демонстрируетмыльная или пивная пена. Если из таких оболочек нужно создать удлиненноесущество, то, по-видимому, лучшим, что можно сделать, будет “сегментированная”конструкция типа той, что показана на рис. 49, и на самом деле созданиятипа червя часто имеют подобное строение.

Рис. 49. “Сегментированное” существо.Напряжения в оболочке в обоих направлениях одинаковы.

Как бы ни были хороши подобные оболочки для червей, их нельзя использовать,если нужно получить ровную цилиндрическую трубку, такую, как кровеносныйсосуд. Для труб, как мы видели в гл. 5, окружное напряжение всегдавдвое больше осевого напряжения, и именно из-за этого различия в напряженияхоболочки такого рода здесь не подходят. Здесь требуется материал, для которогонапряжение растет с ростом деформации, как, например, это показано на рис. 50.