La tela del ragno e i segreti ingegneristici

La capacità di resistere anche alla forza degli uragani è dovuta a principi strutturali diversi da quelli che normalmente presiedono al comportamento dei materiali biologici e dei manufatti: è infatti costruita in modo che i cedimenti locali non pregiudichino la funzionalità complessiva della ragnatela, che può essere così solo rammendata e non rifatta per intero.

La resistenza delle tele intessute dai ragni ha sempre affascinato l’uomo, che ne ha cercato il segreto della robustezza nella composizione chimica della  seta. Da sola, tuttavia, questa non può spiegare la capacità delle ragnatele di resistere a forze come quelle sviluppate dai venti di un uragano.

Ora un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology e del Politecnico di Torino è riuscito a risolvere il mistero, scoprendo attraverso sofisticate simulazioni al computer il progetto strutturale complessivo che permette alla ragnatela simili prestazioni.

Lo studio, pubblicato sulla rivista “Nature”, ha dimostrato in primo luogo che, come prevedibile, quando una qualsiasi parte della ragnatela viene perturbata, essa reagisce in modo complessivo, permettendo al ragno di accorgersi della presenza di un insetto intrappolato. Tuttavia, i filamenti radiali e quelli a spirale hanno ruoli diversi nell’attenuazione del movimento, e quando le sollecitazioni sono particolarmente forti, alcuni di essi vengono sacrificati per permettere alla rete nel suo complesso di sopravvivere.

Il concetto di cedimenti selettivi localizzati nella ragnatele è interessante poiché diverge dai principi strutturali in gioco in molti materiali biologici, osservavano i ricercatori: per esempio, i diversi componenti costitutivi dell’osso distribuiscono lo stress su tutta la struttura, che in tal modo, però, prima di un cedimento tende a essere danneggiata complessivamente.

Simulazione del comportamento strutturale della ragnatela eseguita da S. Cranford & M.J. Buehler/MIT (Cortesia Francesco Tomasinelli & Emanuele Biggi)

Al contrario, una tela di ragno è organizzata in modo da mostrare una risposta non lineare allo stress che le conferisce una maggiore resistenza ai difeti strutturali rispetto a quella esibita dai materiali che hanno un comportamento elastico lineare o elastico-plastico. In particolare, questo

comportamento non lineare permette di sacrificare aree locali in modo che un cedimento non pregiudichi la funzionalità complessiva della ragnatela, anche se con una capacità ridotta. Per esempio, quando il problema riguarda un filamento radiale, la ragnatela si deforma di più di quando è interessato un filamento a spirale. Tuttavia, quando entrambi i tipi di filamento sono sotto grande stress solo uno cede.

Si tratta, osservano gli autori, di una strategia intelligente, se l’alternativa è quella di dover fare un’intera, nuova ragnatela, un compito che richiede un impegno energetico tutt’altro che indifferente per il ragno. Gli ingegneri, concludono i ricercatori, potrebbero imparare dalla natura e adottare le strategie di progettazione più appropriate per specifiche applicazioni.