Les mécanismes inhérents de plasticité et de durcissement par microfracture fonctionnent ensemble pour empêcher les bois de se casser.
Introduction
Chaque automne, les élans descendent des hautes terres et remplissent l'air frais des prairies de montagne du son de leur clairon aigu et du cliquetis des bois qui s'entrechoquent. Les concurrents se serrent les coudes, se poussent comme des lutteurs de sumo. Un grand ensemble peut atteindre un poids combiné allant jusqu'à 40 livres (18 kilogrammes) - environ le poids d'un veau nouveau-né entier.
Ces couronnes lourdes ne remplissent pas les fonctions osseuses typiques de soutien du poids corporel ou de protection des organes. Au lieu de cela, ils sont utilisés pour le combat et pour montrer la vigueur et la vigueur d'un taureau à des partenaires potentiels.
Au début de l'hiver, après la fin du rut nuptial, les bois tombent. Au printemps, le cycle recommence et les taureaux font pousser une nouvelle paire d'os de leur crâne, poussant aussi vite qu'un pouce par jour.
Comment quelque chose qui a grandi si rapidement, avec seulement les matériaux provenant de l'alimentation naturelle de l'élan, peut-il résister à des collisions répétées et à fort impact sans se casser ?
La stratégie
Le bois de cerf est l'un des biomatériaux connus les plus résistants. La ténacité est la résistance à la rupture. La force est la résistance à la flexion. Pour avoir une qualité, il faut généralement sacrifier une partie de l'autre. Pour atteindre l'équilibre, les bois de wapiti utilisent les mêmes ingrédients que l'os humain, mais la recette est légèrement différente. Les bois ont moins de cristaux de calcium durs et des quantités plus élevées de collagène souple, ce qui leur donne une plus grande flexibilité. Cela rend les bois beaucoup plus résistants que les os humains, car ils peuvent se plier davantage avant de se casser. Mais parce qu'ils sont plus flexibles, ils ne sont pas aussi solides.
Ce n'est pas seulement la flexibilité qui aide le bois à résister à la fracture. La façon dont ses blocs de construction sont organisés contribue également à lui conférer une résistance intégrée aux fissures. Semblables à d'autres types d'os compacts, les composants de base des bois sont des structures cylindriques appelées ostéons.
La plupart des taureaux wapitis développent un rack 6x6, ce qui signifie que chaque bois a six points. Cette image montre un rack 7x7 atypique.
Deux taureaux wapitis testent leurs bois pour une éventuelle bataille de force.
Chaque printemps, les taureaux développent de nouveaux bois, qu'ils perdent au début de l'hiver après la fin de la saison du rut.
Imaginez un os long comme une coquille remplie de cure-dents alignés dans le sens de la longueur, où chaque cure-dent représente un ostéon. Il est facile de casser un seul cure-dent tout seul, mais beaucoup plus difficile lorsqu'il est regroupé avec des dizaines ou des centaines d'autres. En effet, une charge appliquée au centre d'un seul cure-dent ou d'un os uniformément solide le coupe proprement en deux, la fracture parcourant la distance la plus courte possible, d'un côté directement à travers le milieu à l'autre. Cependant, un paquet de cure-dents (ou ostéons) n'est pas uniformément solide. Entre chaque pièce se trouve un petit espace qui fait toute la différence.
Les espaces vides entre les ostéons sont comblés par des régions épaisses "hyper-minéralisées" avec un excès de calcium. Ces zones ont tendance à se briser avant les ostéons, ce qui augmente en fait la ténacité de tout l'os. Considérez ces zones comme de la cire séchée entourant les cure-dents. Lorsque nous essayons de casser le tas de cure-dents, la cire se fissure et s'écaille bien avant le bois.
Une fissure peut traverser la cire et dévier autour de certains des cure-dents, soulageant ainsi la charge subie par ces cure-dents. Dans les bois de wapiti, cela s'appelle «déviation de fissure».
Les microfractures peuvent également réduire la longueur d'un cure-dent, torsadant la fracture primaire de se propager transversalement à longitudinalement. C'est ce qu'on appelle la « torsion de fissure ».
Des microfractures peuvent également se former dans des zones déconnectées de la rupture principale, comme dans une fermeture à glissière fermée qui a quelques dents déconnectées mais qui est toujours généralement intacte. Cette tendance à avoir de multiples fissures séparées par un matériau intact est appelée « pontage des fissures ».
Ces mécanismes de durcissement existent également dans d'autres types d'os. Mais les régions hyperminéralisées des bois de wapiti améliorent la façon dont elles fonctionnent individuellement et ensemble pour affaiblir une fracture en éloignant sa trajectoire de la charge principale.
Le potentiel
Les taureaux de wapitis rivaux peuvent avoir quelques os à cueillir les uns avec les autres. Heureusement, la plasticité inhérente et le durcissement par microfracture protègent leurs bois pendant ces batailles de coups de tête.
Les humains suivent leur exemple et intègrent ces caractéristiques dans des conceptions de matériaux personnalisées pour des applications spécifiques. Les chercheurs ont récemment combiné un type de plastique flexible utilisé pour fabriquer des lentilles de contact avec de la fibre de verre solide pour créer un nouveau matériau. Ce soi-disant «métamatériau» combine ténacité et résistance, ce qui le rend approprié pour réparer ou remplacer les tendons et ligaments blessés.
