06 декември 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Физици изведоха формулата за формата на ябълката и я потвърдиха експериментално

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 08 октомври 2021 в 00:01 115110
Как физиците виждат ябълката Кредит: Harvard SEAS

Използвайки теория и експерименти, изследователи показват как ябълките придобиват своята характерна форма. В това изследователите са подпомогнати от теорията за сингулярностите, както и експерименти с раздуващ се гел.

Формата на ябълката е една от най-разпознаваемите в света и в същото време е доста проста - тя е почти сферична, с изключение на характерната вдлъбнатина в горната част, където е прикрепена дръжкатат й.

Но как се оформя?

На този въпрос отговаря група физици и математици от Харвард с помощта на наблюдения, лабораторни експерименти, теория и изчисления, за да разберат растежа и формата на ябълката.

Резултатите са публикувани в списание Nature Physics.

„Биологичните форми често се организират от наличието на структури, които служат като фокусни точки“, обяснява Лакшминараянанан Махадеван (Lakshminarayanan Mahadevan), професор по приложна математика, по органична и еволюционна биология и по физика в Харвардското училище "Джон А. Полсън" за инженерни и приложни науки (SEAS) и водещ автор на изследването. „Тези фокусни точки понякога могат да приемат формата на сингулярности, където деформациите са локализирани. Обичаен пример се вижда в роговата точка на ябълка, трапчинката, където дръжката се среща с плода.

Симулации на образуване на роговата точка на ябълката. Кредит: Harvard SEAS

Махадеван вече е разработил проста теория за обяснение на формата и растежа на ябълките, но проектът започна да дава плодове, когато изследователите успяват да свържат наблюденията на реални ябълки на различни етапи на растеж и експерименти с гел, който да имитира растежа заедно с теорията и изчисленията.

Експериментални измервания на напречните сечения на ябълките на различни етапи на растеж. Кредит: Harvard SEAS

Изследователският екип започва със събиране на ябълки на различни етапи от растежа им от овощната градина в колежа Питърхаус в Университета на Кеймбридж във Великобритания ("Алма матер" на друг известен любител на ябълки, сър Исак Нютон). 

Всяка ябълка са срязвали по дължина, за да си проличи формата на кривината около дръжката. Оказа се, че вдлъбнатината се образува постепенно и е почти невидима при ябълки с диаметър по-малък от 1,5 сантиметра.

Рогова точка или само рог в математиката е особена точка на крива, която в околността на точката се представя от две отделни гладки дъги (клонове), чиито допирателни в точката съвпадат. В роговата си точка кривата е недиференцируема.

С помощта на тези ябълки екипът проследвава нарастването с течение на времето на трапчинката или "роговата точка", както я наричат математиците.

За да разберат еволюцията на формата на ябълката и по-специално на роговата точка, изследователите се обръщат към отдавнашната математическа теория, известна като теория на сингулярността. Теорията на сингулярността се използва за описание на множество различни явления, от черни дупки до по-обикновени примери като светлинните модели на дъното на плувен басейн, разпадането на капчиците и разпространението на пукнатините.

„Това, което е вълнуващо, е, че те са универсални. Ябълковата рогова точка няма нищо общо със слънчевите шарки в плувен басейн или капка, откъснала се от гейзер, но тя създава формата си също като тях“, обяснява Томас Майкълс (Thomas Michaels), бивш докторант в SEAS и водещ автор на статията, сега в Университетския колеж в Лондон. "Концепцията за универсалност е много дълбока и може да бъде много полезна, защото свързва единични явления, наблюдавани в много различни физически системи."

Основавайки се на тази теоретична рамка, изследователите използват компютърна симулация, за да разберат как диференциалният растеж между кората на плодовете и сърцевината води до образуването на роговата точка.

След това те потвърждават симулациите с експерименти, които имитират растежа на ябълките с помощта на гел, който набъбна с течение на времето. Експериментите показват, че различните темпове на растеж между по-голямата част от ябълката и областта на дръжката довеждат до подобна форма на трапчинката на реалните ябълки.

„Възможността да се контролира и възпроизвежда морфогенезата на единични рогови точки в лабораторията с прости набори от инструменти за материали бе особено вълнуваща“, разказва Адити Чакрабарти (Aditi Chakrabarti), докторант в SEAS и съавтор на статията. „Различните геометрии и състав на геловите имитации показват как се образуват множество рогови точки, както се вижда в някои ябълки и други костилкови плодове като праскови, кайсии, череши и сливи“

Екипът установява, че основната анатомия на плодовете, заедно с механичната нестабилност, може да играе съвместна роля в създаването на множество различни рогови точки на плодовете.

„Морфогенезата, буквално произходът на формата, е един от големите въпроси в биологията“, коментира Махадеван. „Формата на обикновената ябълка ни позволи да изследваме някои физически аспекти на биологичната сингулярност. Разбира се, сега трябва да разберем молекулярните и клетъчните механизми зад образуването на роговата точка, докато бавно се придвижваме към по-широка теория за биологичната форма.

Справка:  “The cusp of an apple” by Aditi Chakrabarti, Thomas C. T. Michaels, Sifan Yin, Eric Sun and L. Mahadevan, 4 October 2021, Nature PhysicsDOI: 10.1038/s41567-021-01335-8

Източник: A Team of Mathematicians and Physicists Discover How Apples Get Their Shapes, Harvard University


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Какво е социална екология?
03 декември 2021 в 12:45
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.