Dunia alami penuh dengan makhluk yang berbeda dalam metode gerakan, penampilan, preferensi gastronomi, perilaku, dll yang tidak biasa. Tentu saja, tidak ada yang aneh bagi mereka sendiri, karena semua ini adalah hasil dari evolusi ratusan ribu tahun yang ditujukan untuk kelangsungan hidup spesies dalam kondisi lingkungan yang terus berubah. Apa yang dibutuhkan hewan bagi kami menjadi objek penelitian dan inspirasi dalam pengembangan yang digunakan di berbagai industri, dari kedokteran hingga robotika. Jadi para ilmuwan dari Institut Teknologi Georgia (AS) memutuskan untuk melakukan analisis terperinci terhadap belalai gajah, yang dengannya raksasa herbivora dapat minum dan mengumpulkan makanan. Apa yang terjadi pada belalai ketika gajah minum, gaya apa yang digunakannya ketika mengambil benda kecil,dan di mana data yang diperoleh dapat diterapkan? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Meskipun gajah adalah pemilik belalai terbesar, mereka jauh dari satu-satunya. Kupu-kupu, cacing pita, lintah, kutu busuk, tapir, anjing laut gajah, dll. - mereka semua memiliki beberapa bentuk batang. Dalam berbagai kasus, belalai berfungsi sebagai organ sentuhan, nutrisi, dan bahkan perlindungan.
Bagi gajah, belalainya, yang terbentuk dari hidung dan bibir atas, adalah semacam "pisau Swiss". Dengan bantuannya, mereka mengumpulkan air (yang kemudian dituangkan ke dalam mulutnya), mengambil benda-benda kecil, memetik buah-buahan, bernapas saat melintasi badan air, digunakan dalam komunikasi dengan kerabat mereka, dll.
Gambar #1
Seekor gajah Afrika ( Loxodonta africana) mengkonsumsi lebih dari 200 kg vegetasi setiap hari, menghabiskan sekitar 18 jam sehari untuk memanen rumput, daun, buah-buahan dan kulit pohon ( 1a ).
Yang paling mengejutkan adalah belalai gajah dapat memiliki berat sekitar 100 kg, tetapi gajah dapat dengan mudah mengambil benda kecil dan rapuh dari lantai tanpa merusaknya. Rahasia akurasi seperti itu tidak hanya terletak pada fleksibilitas dan mobilitas bagasi, tetapi juga pada udara yang dihisapnya. Para ilmuwan telah menyarankan bahwa lubang hidung dan paru-paru hewan memainkan peran penting dalam bagaimana gajah memanipulasi belalai. Selama penyerapan air, perubahan tertentu juga terjadi karena kontraksi otot, yang memungkinkan gajah menerima lebih banyak air sekaligus.
Fakta bahwa gajah menggunakan air dan udara sebagai alat tambahan untuk memanipulasi objek di lingkungan dijelaskan kembali pada tahun 1871 oleh Charles Darwin. Dia memperhatikan bahwa gajah dapat memindahkan benda dari jangkauannya dengan meniup belalainya. Gajah dapat mengatur panjang pukulan berdasarkan jarak ke objek, dan bahkan dengan sengaja mengarahkan semburan udara ke dinding, yang kemudian akan mendorong objek lebih dekat ke mereka.
Para ilmuwan mencatat bahwa hewan yang memanipulasi objek dengan aliran cairan biasanya hidup di air daripada di darat. Contoh mencolok adalah ikan dari genus Toxotes (penyemprot), yang mampu menembakkan aliran air ke serangga di atas permukaan reservoir.
Berceceran saat berburu.
Cumi-cumi dan gurita juga menembakkan air, tetapi bukan untuk berburu, tetapi untuk bergerak. Banyak spesies ikan menggunakan apa yang disebut "suction feeding", di mana mereka menyedot makanan ke dalam mulutnya.
Mengingat keunikan perilaku ini di antara makhluk darat, gajah dan belalainya memerlukan studi, kata para ilmuwan. Oleh karena itu, beberapa tes dilakukan, di mana para ilmuwan mencatat setiap perubahan morfologi belalai gajah selama makan, asupan air, dan manipulasi benda-benda kecil yang rapuh.
Hasil penelitian
Selama pengujian (14 kali), gajah percobaan diberi makan rutabaga yang dipotong menjadi kubus dengan ukuran berbeda. Grip bagasi bervariasi tergantung pada ukuran dan jumlah dadu ( 1b ). Ketika gajah diberi 10 kubus kecil (kurang dari 40 mm), ia menggunakan ujung belalai yang ulet tanpa hisap. Jika ada lebih dari 10 kubus kecil, maka gajah lebih menyukai penyerapan ( 1c ). Sungguh lucu bahwa para ilmuwan menggolongkan suara yang menyertai proses ini sebagai suara penyedot debu yang bekerja.
Metode pengumpulan kubus rutabaga kecil (16 mm) dan besar (32 mm). Dalam kasus pertama, ada hisap (perhatikan suara). Yang kedua, itu tidak ada, karena kubusnya terlalu besar.
Anehnya, selama tes biji-bijian, pengisap tidak digunakan, sebaliknya gajah mencoba mengambil biji-bijian sebanyak mungkin dalam satu genggam. Kemungkinan besar tidak ada penyedot untuk mencegah biji-bijian tersangkut di bagasi.
Kemudian makan gajah dilanjutkan dengan keripik (tortilla) untuk mengevaluasi interaksinya dengan benda datar besar. Ketebalan chip tidak lebih dari 500 mikron, oleh karena itu sulit untuk mengangkatnya dari permukaan yang rata (platform gaya digunakan) Untuk memecahkan chip, Anda perlu menerapkan gaya 11 ± 2 N (Newton), yaitu sekitar 1% dari berat belalai gajah.
Setelah kontak pertama, proses menaikkan chip memakan waktu 3,0 ± 0,2 detik. Prosesnya sendiri dapat dibagi menjadi tiga tahap ( 1d dan 1e ): mendekati objek, mencari objek, mengangkat objek.
Daya tarik chip dengan hisap udara (video melambat 5 kali).
Pada awalnya, gajah tidak menyentuh chip secara langsung, tetapi menyentuh tepi luar platform gaya, sambil menerapkan gaya 4 ± 1 N. Selama fase pencarian, ia mendekati chip, menerapkan gaya 5 N, yaitu. 50% dari kekuatan yang dibutuhkan untuk memecahkan chip.
Selama fase pendakian, dua perilaku yang berbeda diamati. Dalam kasus pertama, gajah menerapkan isap pada jarak tetap dari chip ( 1d ). Di detik, ia menerapkan hisap, menekan bagasi langsung ke chip ( 1e ). Juga mengherankan bahwa, bagaimanapun juga, gajah hampir selalu mengangkat kepingan itu tanpa merusaknya.
Pengamatan visual gajah, meskipun menyenangkan, memberikan terlalu sedikit data. Oleh karena itu, para ilmuwan juga mengukur tekanan hisap yang dibuat selama pengujian dengan air. Untuk lebih memvisualisasikan aliran yang dihisap oleh batang, biji chia ditambahkan ke dalam air. Profil aliran tampak parabola, sebagaimana dibuktikan oleh jarak yang lebih jauh yang ditempuh oleh biji chia di tengah lubang hidung ( 2a ).
Gambar #2
Grafik 2c menunjukkan jalannya aliran cairan di bagasi dari waktu ke waktu, diukur sebagai cairan di reservoir berkurang. Selama tiga kali uji coba, gajah menyedot air selama 1,5 ± 0,1 detik, yang sesuai dengan laju aliran volumetrik Q w= 3,7 ± 0,3 l / dtk. Dan di sini para ilmuwan kembali membuat perbandingan yang aneh (bagi orang Amerika ini adalah praktik yang cukup normal): aliran volumetrik seperti itu setara dengan 20 flush toilet (saya tidak tahu bagaimana perbandingan semacam itu dapat membantu mengevaluasi atau memvisualisasikan kekuatan aliran, tetapi baik).
Percobaan hisap air.
Total volume cairan di bagasi adalah 5,5 ± 0,41 liter. Setelah penghisapan 3 liter, ada jeda sekitar setengah detik, pada saat itu laju aliran adalah 1 ± 1,2 l / s. Aliran kemudian meningkat lagi menjadi 4,5 ± 2,1 l / s selama setengah detik terakhir dari siklus hisap. Dinamika serupa diamati selama semua pengamatan. Para ilmuwan menyarankan bahwa istirahat singkat selama penyerapan diperlukan untuk mencegah air memasuki sfingter posterior batang tubuh.
Untuk analisis lebih lanjut, perlu untuk menetapkan volume internal bagasi (panjang sekitar 1,9 m). Untuk ini, data dari pengukuran penampang batang digunakan. Rongga tubuh memiliki radius 1 cm di ujung distal dan 3 cm di ujung proksimal. Perkiraan volume bagasi dalam hal ini adalah 5,2 liter, yang hampir sama dengan volume air yang diambil (5,5 liter). Bagaimana seekor gajah bisa menarik lebih banyak air daripada belalainya sendiri? Penelitian sebelumnya telah menunjukkan adanya struktur otot yang memanjang dari lubang hidung yang memungkinkan batang tubuh untuk mengembang.
Selanjutnya, para ilmuwan melakukan pemeriksaan ultrasound ( 3a) untuk mengetahui batas-batas pemuaian struktur ini. Pengukuran ultrasonografi dinding batang dilakukan dalam tiga kondisi: respirasi alami, asupan air, dan asupan air dedak.
Gambar 3
pada gambar 3c dan 3d terlihat otot-otot radial berkontraksi ketika gajah mengambil air dari dedak.
Pemeriksaan ultrasonografi dinding hidung gajah selama penyerapan dedak. Panah merah menandai batas antara cairan dan dinding hidung.
Jari-jari awal batang dan lubang hidung masing-masing adalah 7,5 dan 1,5 cm. Akibatnya, ketebalan dinding batang yang diselidiki adalah 6 cm. Ketika air dihisap, ketebalan dinding berkurang menjadi 5,7 cm, dan ketika air dengan dedak diserap, hingga 5,6 cm.
Ditemukan bahwa jari-jari lubang hidung selama serapan udara, air dan air dengan dedak masing-masing adalah: 1,5 ± 0,2 cm, 1,8 ± 0,2 cm, dan 1,9 ± 0,2 cm ( 3e ). Dengan demikian, nilai jari-jari selama penyerapan air dan air dengan dedak meningkat masing-masing sebesar 18% dan 28%.
Jika kita berasumsi bahwa jari-jari meningkat di sepanjang batang, maka volume internal batang meningkat 40% untuk air dan 64% untuk air dedak.
Namun, setiap sistem memiliki batasnya. Para ilmuwan telah menciptakan model matematika untuk menghitung jarak efektif untuk suction feeding ( 2d ). Model memungkinkan kami untuk menetapkan tekanan maksimum yang digunakan dalam eksperimen dengan air, dan jarak maksimum dari chip, di mana gajah dapat mengangkatnya menggunakan hisap.
Dalam percobaan dengan air, kecepatan air rata-rata (u w ) di bagasi adalah laju aliran dibagi dengan luas penampang lubang hidung: Q w / (2πa 2) 2,7 m / s, di mana a = 2,1 cm adalah jari-jari lubang hidung. Tekanan maksimum diamati pada akhir siklus hisap, ketika air mencapai kecepatan dan ketinggian maksimumnya di bagasi. Dengan menghitung bilangan Reynolds * dari aliran di dalam lubang hidung, Anda dapat mengetahui apakah cairan tersebut mengalami turbulensi.
Bilangan Reynolds * - rasio gaya inersia terhadap gaya gesekan kental dalam cairan dan gas kental.Bilangan Reynolds untuk mengangkut air melalui pipa adalah Rew = 8,1 x 10 4 , dan bilangan Reynolds untuk udara adalah 4,2 x 10 6 . Mengingat bahwa bilangan Reynolds ini lebih tinggi dari 4000, hukum Bernoulli * dapat digunakan untuk aproksimasi . Akibatnya, tekanan yang diterapkan ditemukan menjadi -20 kPa.
Hukum Bernoulli * - jika tekanan fluida meningkat di sepanjang garis arus, maka laju aliran berkurang, dan sebaliknya.Jika tekanan yang sama diterapkan selama penghisapan chip, maka kecepatan udara adalah 150 m / s. Perhitungan juga menunjukkan bahwa jarak di mana gajah dapat secara efektif menarik objek secara linier bergantung pada ukuran lubang hidung. Oleh karena itu, objek dengan massa yang lebih kecil atau area yang lebih besar dapat diserap secara efisien dan pada jarak yang lebih jauh daripada selama percobaan dengan chip.
Dalam percobaan, luas permukaan chip adalah 113 cm 2 , dan massanya adalah 10 g. Dengan memperhitungkan percepatan gravitasi (dalam perhitungan itu adalah 9,81 m / s 2 ) dan tekanan yang dihitung (-20 kPa), para ilmuwan menemukan bahwa tinggi hisap efektif maksimum adalah 4,6 cm.
Aspek terpenting yang mempengaruhi efektivitas suction adalah tekanan di paru-paru gajah. Gajah dapat menciptakan tekanan tinggi di paru-paru mereka karena sistem pernapasan khusus mereka. Jaringan serat kolagen yang dapat diperpanjang mengisi ruang pleura, menghubungkan paru-paru ke dinding dada secara bebas, sementara tidak membatasi gerakan paru-paru dalam kaitannya dengan dinding dada ( Mengapa gajah tidak memiliki rongga pleura? , John B. West, 2002).
Fitur anatomi inilah yang memungkinkan arus udara dihasilkan dengan kecepatan tinggi. Selain itu, fasia endotoraks * pada gajah delapan kali lebih tebal daripada pada manusia, kelinci, tikus, dan mencit, yang dapat menciptakan tekanan tambahan di paru-paru mereka.
* — , . .
Gambar # 4
Kesimpulannya, para ilmuwan, berdasarkan data yang diperoleh, memutuskan untuk menentukan apakah hewan lain mampu menarik benda dengan isapan, seperti gajah. Pertama, rasio berat badan dengan jari-jari lubang hidung ( 4a ) diperkirakan , yang meningkat seiring dengan ukuran makhluk (dari yang diperhitungkan dalam perhitungan).
Gajah memiliki lubang hidung terluas dari semua mamalia yang diteliti, dengan radius lubang hidung 10 mm di ujung hingga 30 mm pada jarak 90 cm darinya. Menggunakan gajah sebagai titik pelaporan, para ilmuwan memetakan jarak maksimum di mana mamalia, secara teori, dapat menarik objek dengan hisap ( 4b ). Misalnya untuk sapi jarak ini 1 cm, dan untuk babi dan tapir 0,65 cm.
Dan bagian yang paling lucu, tentu saja. Seseorang juga dapat menarik benda dengan mengisap udara, meskipun tidak lebih tebal dari selembar kertas, dan jarak maksimum untuk trik yang berhasil dengan chip tidak boleh lebih dari 0,4 mm. Setiap fluktuasi di udara antara chip dan hidung akan membuat trik menjadi tidak mungkin.
Untuk kenalan yang lebih rinci dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan .
Epilog
Untuk apa seseorang bisa mencintai sains, demikian juga untuk ketidakterbatasannya. Seseorang siap dengan rasa ingin tahu yang besar untuk menjelajahi segalanya, dari ruang misterius dan kedalaman lautan hingga belalai gajah.
Dalam studi ini, para ilmuwan melakukan eksperimen dan perhitungan yang merinci bagaimana tepatnya gajah berhasil menarik objek menggunakan isap. Di satu sisi, ini tampaknya merupakan proses yang sangat sederhana, tetapi banyak faktor yang diperlukan untuk penerapannya, dari paru-paru yang tidak standar hingga struktur otot yang fleksibel dari batang tubuh.
Bagi gajah, belalainya adalah manipulator, sensor lingkungan, dan alat pengambilan sampel. Indera penciuman gajah jauh lebih baik daripada kita, dan fleksibilitas serta mobilitas belalainya memungkinkan mereka berinteraksi dengan benda yang paling rapuh sekalipun tanpa merusaknya.
Gajah adalah makhluk luar biasa yang dapat dengan mudah disebut sebagai contoh bagaimana keanehan evolusi yang tampaknya aneh pun memiliki makna, logika, dan penerapan praktis.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan ya guys. :)
PS Setelah membaca materi ini, jangan mencoba menarik chip di rumah dengan menarik udara. Tidak mungkin penulis penelitian ingin Anda tersedak ketika mencoba menggambarkan Dumbo.
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman-teman, cloud VPS untuk pengembang mulai dari $ 4,99 , analog unik dari server tingkat pemula yang telah kami ciptakan untuk Anda: Kebenaran Sepenuhnya Tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Maincubes Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Mulai dari $99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. kelas dengan penggunaan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya 9000 euro untuk satu sen?