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    Teste dei picchi, i martelli rigidi biologici

    Per lungo tempo numerosi ricercatori si sono chiesti come i picchi potessero battere ripetutamente i loro becchi contro i tronchi spessi degli alberi senza danneggiare il loro cervello. Diversi studi hanno portato alla conclusione che le teste dei picchi debbano agire come caschi ammortizzatori. Recenti scoperte, invece, confuterebbero questa idea dimostrando che qualsiasi assorbimento degli urti ostacolerebbe la capacità di beccheggio dei picchi.

    La teste sottoposta agli urti: quali sono gli effetti

    Quando il cranio del picchio in movimento colpisce un oggetto stazionario, l’improvvisa decelerazione della testa causa compressioni nel sito di impatto del cervello ed espansioni sul lato posteriore, che potrebbero danneggiare i neuroni o produrre disfunzioni.

    Per assorbire o dissipare energia cinetica della testa ad ogni impatto, è stato identificato come un candidato principale l’osso spugnoso nel cranio del picchio. L’osso sarebbe infatti particolarmente ben sviluppato nella regione frontale del cranio appena posteriore all’articolazione naso-frontale tra il becco superiore e la scatola cranica.

    Testa di un picchio,Credits Current Biology
    Testa di un picchio,Credits Current Biology

    La cinematica del becco

    L’assorbimento degli urti si verifica tra becco e cervello in modo che la decelerazione del cervello sia significativamente ridotta rispetto alla decelerazione del becco all’impatto. Gli occhi sono strettamente impacchettati nelle orbite del cranio e riempiono lo spazio tra l’osso spugnoso frontale e il lato anteriore della scatola cranica. La decelerazione oculare si avvicina alla decelerazione del lato anteriore della scatola cranica.

    Testa del picchio: scoperto un nuovo comportamento

    Osservazioni condotte sull’analisi cinematica del beccheggio, mostrano che la zona che collega il becco e i punti di riferimento dell’occhio si comporta rigidamente in tutti gli individui studiati. Le decelerazioni medie queste non differiscono significativamente tra occhio e becco, o non sono significativamente più alte all’occhio che al becco. Dopo l’analisi di video ad alta velocità di varie specie di picchi, si è scoperto che gli uccelli non assorbono lo shock dell’impatto con l’albero. Se il becco assorbisse gran parte del proprio impatto, lo sfortunato uccello dovrebbe battere ancora più forte. Grazie alla ricostruzione di modelli biomeccanici, è stato possibile concludere che qualsiasi assorbimento d’urto del cranio sarebbe svantaggioso per gli uccelli.

    Cinematica delle teste dei picchi, tutti i punti contrassegnati mostrano il comportamento rigido successivo all’impatto

    Il mito dell’assorbimento agli urti da parte del cranio

    Per capire effettivamente la presenza o meno dell’assorbimento degli urti, gli esperimenti realizzati dai ricercatori si sono basati sulle misurazioni anatomiche del cranio e su due variabili dall’analisi cinematica: la velocità media della testa d’impatto e la durata di decelerazione del becco. Le simulazioni dei modelli hanno confermato che l’assorbimento di parte dell’energia cinetica della testa in una struttura elastica ridurrebbe significativamente la penetrazione del becco nell’albero. Di conseguenza, le zone di osso spugnoso sul lato del colpo probabilmente svolgerebbero un ruolo importante nel resistere alle forze d’impatto piuttosto che assorbire l’energia mediante deformazione elastica.

    Confronto tra becco rigido ed elastico sulla penetrazione nel legno

    Ma in che modo influisce sulla decelerazione del cervello?

    Per le interfacce becco-scatola cranica relativamente rigide, che producono compressioni inferiori a 1,5 mm, il vantaggio di una struttura elastica di compressione è variabile. Questo perché, per ridurre la decelerazione di picco del cervello, c’è una complessa interazione meccanica tra la struttura elastica di compressione, le masse mobili e la forza dell’albero. Per le molle più conformi, la decelerazione del cervello sarebbe ridotta considerevolmente, a scapito però della profondità di penetrazione.

    Credits Numerical study of the impact response of woodpecker's head, AIP Advances 2, Zhao Dan Zhu (祝昭丹), Guo Jun Ma (马国军), Cheng Wei Wu (吴承伟), and Zhen Chen (陈震)
    Credits Numerical study of the impact response of woodpecker’s head, AIP Advances 2, Zhao Dan Zhu (祝昭丹), Guo Jun Ma (马国军), Cheng Wei Wu (吴承伟), and Zhen Chen (陈震)

    Il vantaggio delle teste rigide

    Per beccare con uguali profondità di penetrazione del becco, le teste del picchio più rigido richiedono meno lavoro, sulla base del principio di risparmio energetico. Per beccare in modo altrettanto profondo, è necessario un maggiore apporto di energia cinetica, quando parte di questa energia viene immagazzinata nella compressione dei tessuti elastici. Nel momento in cui le teste colpiscono gli alberi a velocità maggiori non c’è alcun beneficio in termini di protezione del cervello fornita da una riduzione della decelerazione della scatola cranica. Sotto l’attuale comportamento elastico lineare dei modelli, la struttura elastica di compressione ritarda la decelerazione della testa. Allo stesso tempo però provoca un secondo picco di decelerazione nel momento in cui la testa si ferma.

    Il cervello può essere compromesso?

    L’assenza di assorbimento degli urti non significa che il cervello del picchio sia in pericolo durante gli impatti violenti. Anche con shock più forti, il cervello del picchio dovrebbe comunque essere al sicuro dato che si tratterebbe di carichi cerebrali inferiori a quegli degli esseri umani che soffono di commozione cerebrale: il cervello più piccolo dei picchi può resitere. Il loro solito beccare i tronchi degli alberi è generalmente ben al di sotto della soglia per causare una commozione cerebrale, anche senza che i loro crani agiscano come caschi protettivi.

    Teste dei picchi, Propagazione stress in diversi punti del cervello Credits Numerical study of the impact response of woodpecker's head, AIP Advances 2
    Teste dei picchi, Propagazione stress in diversi punti del cervello Credits Numerical study of the impact response of woodpecker’s head, AIP Advances 2

    Il cranio del picchio come fonte d’ispirazione

    Il picchio può rappresentare un modello fondamentale per la biomeccanica. La sua testa potrebbe essere pensata come un modello per lo studio di meccanismi per il trauma cranico e la sua prevenzione. Uno studio anatomico preliminare della testa del picchio suggerisce che può essere fruttuoso per lo sviluppo di materiali e caschi che assorbono gli urti. Le nuove scoperte mostrano invece che non è una buona idea. Data la sua anatomia, da un punto di vista energetico, ridurebbe al minimo l’assorbimento degli urti.

    Domande ancora irrisolte

    Tutt’oggi ci questioni relative alla funzione cranica. Ad esempio come fanno i picchi a raggiungere elevata rigidità nel loro sistema cranico, che include un becco inferiore e superiore. Come viene fissata la sospensione del becco inferiore durante il beccheggio? Di conseguenza, gli studi proseguiranno sulla ricerca della meccanica dietro l’irrigidimento cranico durante la beccatura.

    L’articolo Teste dei picchi, i martelli rigidi biologici è stato scritto su: Science CuE | Close-up Engineering.

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