Chiarimenti: fenomeni di capillarità e adesione. Come i ragni si arrampicano.

[Fede95]

Salve a tutti, sto leggendo il libro the biology of spider e sono arrivata ad un punto in cui mi restano alcuni dubbi

Parlando delle scopulae del tarso e metatarso dice :

" adhesion is enhanced by the capillary forces of an extremely thin water film on the substrate "

 

Non riesco a capire come funziona la forza capillare

Qualcuno potrebbe spiegarmelo?

Spero di aver fatto una domanda abbastanza chiara

 

Grazie a tutti in anticipo

[AnDrO]

forse è un argomento riguardante più che altro la Fisica, con una ricerca sul web dovresti trovare sicuramente qualcosa, ma sono sicuro che qualche volenteroso risponderà senz'altro .

[Fede95]

Ho provato a cercare, e qualcosa ho trovato....ma non ho trovato come funziona nello specifico per i ragni, non capisco come questo fenomeno possa aiutare il ragno nell'aderenza delle scopulae..

Forse sono troppo curiosa

[Alba]

Ciao Fede, come hai letto nel Foelix, la scopula è formata da numerose setae, ognuna delle quali, ventralmente, si scinde in tantissime appendici cuticolari (setule) che, distalmente, hanno forma triangolare e offrono al ragno la possibilità di avere centinaia di migliaia di micro punti di contatto triangolari con il substrato.

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Scopula (270x)

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Setule all'estremità di una singola seta (8750x)

Quando ciascuna di queste setule viene in contatto “di piatto” con il sottile strato d'acqua presente sulla parete liscia (pressoché sempre presente, salvo in caso di tassi di umidità bassissimi - inferiori al 15% - o di materiali particolarmente idrofobi), entra in gioco il fenomeno fisico della capillarità: l'acqua presente tra il substrato e il “triangolo” tende a “spalmarsi” lungo le superfici di contatto (quindi lungo la setula stessa e lungo il substrato), e conseguentemente la superficie d'acqua a contatto con l'aria tende a incurvarsi in maniera concava. La tensione superficiale dell'acqua (dovuta alle forze di coesione tra le molecole d'acqua), di contro, tende sempre a ridurre al minimo la superficie tra liquido e aria, e così viene a esercitarsi una forza atta a riportare la superficie alla forma piana. Conseguentemente la pressione interna del liquido tenderà a diminuire e inevitabilmente le due superfici (sempre setula e substrato) verranno fatte aderire dalla pressione atmosferica. Un disegnino potrebbe essere d'aiuto...

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[Fede95]

Adesso ho capito come funziona

Grazie mille Alba della spiegazione molto chiara! L' ho capita io che non ho mai studiato fisica

[Gamberone]

Alba Rules!!

[AnDrO]

concordo, grande spiegazione!

[elleelle]

La spiegazione è convincente, ma il punto debole mi sembra la condizione che ci sia un velo d'acqua sul substrato.

Siamo sicuri che, in casi di umidità bassissima, il meccanismo cessi di funzionare?

Mi sembra anche strano che in certi substrati, tipo una pietra o una corteccia d'albero esposta al sole da ore, ci sia umidità. Ma forse si tratta di un concetto di umidità diverso da quello che si intende normalmente.

[Alba]

Ma forse si tratta di un concetto di umidità diverso da quello che si intende normalmente.

Esatto. Da quello che ho letto sembra che il film d'acqua sia sempre presente al disopra del 15% di umidità relativa. Lo spessore del film, però, risulta essere dell'ordine di grandezza del nanometro, quindi assolutamente impercettibile alla vista e al tatto.

Per chi volesse approfondire questo è il riferimento: 2011 - Jonas O. Wolff and Stanislav N. Gorb - The influence of humidity on the attachment ability of the spider Philodromus dispar (Araneae, Philodromidae).

[elleelle]

Strano. I Philodromidae non sono ragni particolarmente abili nell'arrampicata su superfici lisce. I migliori sono Sparassidae, Miturgidae, Salticidae ....

[Gaborri]

Un'altro dubbio che mi preme da buon fisico quale sono è che le molecole d'aria si distribuiscano effetivamente a velo, invece di seguire una distribuzione maxwelliana...

 

appena posso mi leggo per bene l'articolo e vedo di capirci qualcosa

[00xyz00]

Non credo che la distribuzione di velocità di Maxwell rientri attivamente nel fenomeno.

Intanto mancano i presupposti in quando le iterazioni avvengono su volumi solo di pochissimi ordini di grandezza superiori alle dimensioni molecolari. Ma anche fossero rispettati i requisiti di stocasticità, le molecole d'acqua e d'aria potrebbero avere velocità caotiche quanto vogliono, senza per questo influenzare l'adesione e la tensione superficiale. Ricordo che Maxwell parla di velocità, o al limite energie, e non di distribuzione spaziale delle molecole. Non ci dice in che range di posizione si troveranno, ma che range statistico di velocità avranno.

E' un dato di fatto che nonostante le velocità (comunque basse dato lo stato termodinamico!) a contatto con la setula ci sarà sempre un quantitativo di molecole d'acqua, uno strato molecolare, e non certo spazi macroscopici privi di molecole o molecole assurdamente sovrapposte, e che nell'interfaccia acqua aria ci sarà sempre uno strato di molecole ammassate, per quanto in movimento tra loro. Di conseguenza l'adesione e la tensione superficiale, fenomeni che hanno il loro ruolo primario nella capillarità, non farebbero comunque mancare, totalmente o parzialmente, i loro effetti.

 

Mi ero perso il post, brava Alba!!

[Fede95]

Non credo che la distribuzione di velocità di Maxwell rientri attivamente nel fenomeno.

Intanto mancano i presupposti in quando le iterazioni avvengono su volumi solo di pochissimi ordini di grandezza superiori alle dimensioni molecolari. Ma anche fossero rispettati i requisiti di stocasticità, le molecole d'acqua e d'aria potrebbero avere velocità caotiche quanto vogliono, senza per questo influenzare l'adesione e la tensione superficiale. Ricordo che Maxwell parla di velocità, o al limite energie, e non di distribuzione spaziale delle molecole. Non ci dice in che range di posizione si troveranno, ma che range statistico di velocità avranno.

E' un dato di fatto che nonostante le velocità (comunque basse dato lo stato termodinamico!) a contatto con la setula ci sarà sempre un quantitativo di molecole d'acqua, uno strato molecolare, e non certo spazi macroscopici privi di molecole o molecole assurdamente sovrapposte, e che nell'interfaccia acqua aria ci sarà sempre uno strato di molecole ammassate, per quanto in movimento tra loro. Di conseguenza l'adesione e la tensione superficiale, fenomeni che hanno il loro ruolo primario nella capillarità, non farebbero comunque mancare, totalmente o parzialmente, i loro effetti.

 

Mi ero perso il post, brava Alba!!

 

Dopo questo post ho capito che io e la fisica siamo due cose totalmente separate :D...

[Gaborri]

In fisica per distribuzione maxwelliana non si intende solo quella delle velocità o delle energie, ma in generale un andamento (come si dice andamento di tipo Gaussiano, parabolico).

 

In ogni caso se si dovesse fare una trattazione dal punto di vista molecolare entrerebbero in gioco le statistiche di Bose.

 

La mia osservazione era riguardo al velo, non alla capillarità. L'osservazione fatta da elleelle a mio parere solleva il dubbio se effettivamente si forma una "patina" di molecole d'acqua (ovvero una distribuzione costante di molecole). Che sarebbe contro il principio di minima energia.

Per questo volevo leggere meglio l'articolo per chiarire meglio la questione

[00xyz00]

So bene cosa si intende per distribuzione maxwelliana, ma non ha senso in riferimento alla distribuzione spaziale di cose, molecole o antilopi che siano. Come dovremmo interpretarla? Che vicino all'origine del sistema di riferimento spaziale Oxyz abbiamo poche probabilità di trovare gazzelle, e che la probabilità che si trovino a breve distanza da O sia massima e che la maggior parte delle gazzelle si trova piu distante dal centro rispetto alla posizione piu probabile e che, ancora, la probabilità scenda di nuovo ma molto lentamente allontanandosi dal centro del sistema fino ad avere alcune gazzelle, una probabilità infima ma presente, poche gazzelle dicevo lontane "infinitamente" da O? Vabeh, non è questa la sede per disquisire di queste cose, di certo però non ha influenza perche......

 

La mia osservazione era riguardo al velo, non alla capillarità. L'osservazione fatta da elleelle a mio parere solleva il dubbio se effettivamente si forma una "patina" di molecole d'acqua (ovvero una distribuzione costante di molecole). Che sarebbe contro il principio di minima energia.

 

Quando si parla di film liquido non si parla di una fila di molecole ordinate e poggiate sulle molecole della pietra o della foglia. Non si avrebbe nessun effetto di tensione superficiale in tal caso, ne di adesione....

Si parla di uno strato d'acqua che ha una sua dimensione, uno spessore quindi, e che contiene vari strati di molecole, parliamo quindi di un quantitativo di molecole d'acqua, di fluido, e relative impurezze. All'interno del quantitativo di fluido le molecole (ricordo che quelle dell'acqua sono molecole polari) si dispongono per raggiungere la minima energia, e fin qui non ci piove.

In superficie però danno tutta una serie di effetti peculiari, dovuti all'iterazione tra loro, alle forze intermolecolari. Queste non posso infatti disporsi come vogliono nell'interfaccia aria acqua e quindi, nonostante l'agitazione termica piu o meno elevata, si avrà sempre una risultante non nulla che le porterà ad essere attratte dalla massa di molecole sottostanti. L'attrazione in oggetto è la causa della tensione superficiale e della capillarità.

 

Il film liquido di cui stiamo parlando si forma semplicemente se ci si pensa bene: l'aria umida ha sempre un quantitativo di vapore acqueo il quale lambisce ogni oggetto presente. Nel lambire le superfici piu o meno ruvide, piu o meno idrofile, piu o meno fredde come la superficie di un sasso, il vapore d'acqua si condensa. A bassi valori di umidità relativa e pressione il condensato è minimo, meno di un nanometro...un film appunto...e cresce con l'aumento dell'umidità fino a circa 3 nanometri in condizioni atmosferiche standard. Essendo nell'ordine di grandezza di un film (ultra-thin water films), formerà un unico menisco che avrà il suo ruolo nella capillarità sopra spiegata. Quando l'umidità relativa cresce troppo, si condensa troppa acqua e il film cresce ma, invece di formare ancora un unico menisco, si suddividerà in gocce e sarà allora visibile come condensato anche all'occhio umano (il vetro appannato, la brina sull'erba, le gocciolone che cadono dalle piante nella foresta pluviale...). Gli esperimenti evidenziano come l'aumento dello spessore del film riduca la capacità adesiva delle setule per effetto capillare, e che l'optimum si ha per circa il 70% di umidità relativa.

 

Ora, tutto questo è stato studiato e sperimentato, non sono teorie campate per aria su cui bisogna dubitare o ancora da provare... Baste leggere i vari testi, primo fra tutti il Foelix e i relativi riferimenti bibliografici per fugare ogni dubbio. Senza andare a cercare per forza punti deboli o incongruenze fisiche.....

Se poi si vuole approfondire riguardo al film d'acqua, si vada a ricercare tutta la letteratura inerente le nanotecnologie le quali, a causa di questo film presente in condizioni ambientali normali, subiscono tutta una serie di gravi malfunzionamenti. Sono stati fatti tanti studi..

 

E dato che ci sono, giusto per rispondere anche a Luigi, gli esperimenti son stati fatti su Philodromus non perche sia il miglior arrampicatore, nessuno lo ha sostenuto nell'articolo, ma solo perche se ne trovavano in quantità nel parco dell'università... basta leggere l'articolo.