Chuyện những con nhện nhỏ bay từ trường của Trái Đất

Những con nhện nhỏ sử dụng các sợi tơ để bay thụ động, một quá trình gọi là bay bóng bay. Nghiên cứu cách thức này có thể giúp các nhà khoa học khí quyển.

Thiên nhiên thường là kỹ sư giỏi nhất. Đối với các nhà khoa học nghiên cứu khí quyển của Trái Đất, việc khám phá bí mật của một số loài nhện nhỏ bay trong không khí có thể giúp thúc đẩy nghiên cứu lên tầm cao mới.

Các kỹ sư hàng không vũ trụ sử dụng nhiều kỹ thuật để giữ vật thể bay trên không. Họ có thể sử dụng máy bay có cánh tạo lực nâng, hoặc máy bay không người lái tự tạo lực đẩy xuống. Tuy nhiên, những thiết bị này cần nhiên liệu và không thể duy trì trên không quá lâu.

Các thiết kế này cũng không phù hợp để đưa các vật thể nhỏ lên cao hơn. Điều này đặc biệt là vấn đề đối với các nhà khoa học khí quyển, khi họ thường cần triển khai các cảm biến đo nhiệt độ hoặc hóa chất để khảo sát chi tiết các đặc tính biến đổi theo độ cao của khí quyển. Vì vậy, một cặp nhà nghiên cứu đã tìm đến thế giới tự nhiên để tìm giải pháp.

Nhện bay bóng bay

Không phải tất cả các loài động vật đều cần cánh để di chuyển trong không khí. Một số loài nhện đã phát triển một khả năng gọi là bay bóng bay. Chúng tạo ra các sợi tơ gắn vào cơ thể, giúp chúng di chuyển thụ động qua những khoảng cách rộng lớn, ngay cả khi gió khá nhẹ.

Trong chuyến hành trình nổi tiếng của mình, Charles Darwin đã chứng kiến hàng trăm con nhện bay đáp lên tàu HMS Beagle, mặc dù tàu đang cách bờ biển khoảng 60 dặm. Hiện tượng này đã được ghi nhận nhiều, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa hoàn toàn hiểu cách thức bay bóng bay hoạt động. Hiện có hai giả thuyết cạnh tranh nhau.

Một giả thuyết cho rằng các con nhện sử dụng sợi tơ của mình để hứng những dòng nhiệt tăng lên do sự thay đổi nhiệt độ tự nhiên trong không khí. Giả thuyết thứ hai cho rằng các lực điện tĩnh tạo ra lực nâng, với các lực này được sinh ra từ sự tương tác giữa điện tích của sợi tơ và từ trường trong khí quyển của Trái Đất.

từ trường của Trái Đất này được tạo ra bởi sự khác biệt về điện tích giữa mặt đất và tầng ion, một khu vực ở tầng trên của khí quyển, nơi các nguyên tử và phân tử bị ion hóa bởi bức xạ mạnh của mặt trời.

Nhiệt hay điện?

Để kiểm tra độ mạnh của giả thuyết thứ hai, Charbel Habchi từ Đại học Notre Dame-Louaize ở Liban và Mohammad Jawed từ Đại học California, Los Angeles, đã tái tạo mô phỏng việc bay của nhện bằng các mô phỏng ảo. Trong một mô hình đơn giản, họ thay nhện bằng các quả cầu nhỏ, gắn chúng vào các sợi dọc nhau với số lượng khác nhau.

Các nhà nghiên cứu đã xem xét cách hành vi bay bóng bay có thể thay đổi khi họ thay đổi số lượng sợi. Họ cũng nghiên cứu ảnh hưởng của việc phân bổ điện tích đều trên sợi so với việc tập trung điện tích ở đầu sợi.

Để đảm bảo độ chính xác trong các mô phỏng, họ đã sử dụng một thuật toán thường được sử dụng trong các bộ phim Hollywood để mô phỏng lông và tóc. Ngoài ra, họ còn kết hợp thêm một thuật toán thứ hai có thể tái tạo các lực nhớt tác động lên nhện và sợi khi chúng di chuyển trong không khí.

Cưỡi trên từ trường

Trong mỗi tình huống được xem xét, các mô phỏng của Habchi và Jawed cho thấy các tương tác điện tĩnh làm cho quả cầu tăng tốc lên từ mặt đất. Đồng thời, các sợi ban đầu thẳng đã đẩy nhau vì chúng có điện tích tương tự. Điều này khiến chúng nhanh chóng uốn cong và lan rộng ra, ngăn không cho chúng bị rối.

Khi thời gian trôi qua, Habchi và Jawed nhận thấy lực kéo do lực cản không khí đã làm giảm bớt các lực nâng. Cuối cùng, các con nhện ảo đạt được vận tốc đi lên ổn định khoảng 8,5 cm/giây. Kết quả này khớp chặt với các thí nghiệm thực tế với nhện thật, khi một từ trường điều khiển đã kích hoạt hiện tượng bay bóng bay.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng chỉ riêng các lực điện tĩnh đã đủ để các con nhện nhỏ bay bóng bay. Cơ chế này thậm chí cho phép chúng điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số lượng và độ dài của các sợi tơ. Khi di chuyển trong một cơn gió mạnh hơn, kỹ thuật này có thể giúp chúng thay đổi độ cao.

Bức tranh lớn

Các cơ chế di chuyển qua không khí đáng tin cậy đặc biệt quan trọng trong khoa học khí quyển. Ở độ cao lớn hơn, vệ tinh và máy bay có thể giám sát các đặc tính đa dạng và thay đổi liên tục của khí quyển. Nhưng những thiết bị này có giới hạn. Vệ tinh không thể đo trực tiếp các thuộc tính của khí quyển, trong khi máy bay di chuyển quá nhanh để thu thập thông tin trên quy mô nhỏ hơn.

Bằng cách tái tạo lại các cơ chế bay bóng bay của nhện, Habchi và Jawed hy vọng rằng các nhà nghiên cứu có thể thiết kế các kỹ thuật giám sát mới, trong đó các cảm biến nhỏ được gắn vào các tổ hợp sợi nhân tạo đặc biệt. Điều này có thể cho phép các thiết bị bay bóng bay với tốc độ và độ cao được kiểm soát chặt chẽ, đồng thời thu thập dữ liệu hữu ích.

Nếu thành công, kỹ thuật này có thể mở đường cho những khả năng mới trong giám sát khí quyển. Các nhà nghiên cứu có thể thăm dò các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ gió, độ ẩm và thành phần hóa học với độ chi tiết chưa từng có.