Forskere udfolder hemmelig stabilitet af bøjede sugerør

Sammenklappelige hundeskåle, bøjelige medicinske slanger og sugerør virker alle sammen efter et fælles princip, snapper ind i en række mekanisk stabile og nyttige tilstande. På trods af de mange anvendelser for sådanne "designer matter" strukturer, imidlertid, de grundlæggende mekanismer for, hvordan de fungerer, har indtil nu forblevet mystiske, siger materialeforskere ved University of Massachusetts Amherst ledet af Ryan Hayward.

Nu er han og kolleger, inklusive førsteforfatter og Haywards tidligere doktorand Nakul Bende og deres UMass Amherst-kollega, teoretiske fysiker Christian Santangelo, med mekaniker James Hanna og studerende på Virginia Tech, rapporterer, at de har fundet ud af, hvordan disse "multistabile" strukturer sammensat af stablede koniske sektioner er belastet med forspænding, indestængt spænding, der opstår "fordi materialet tvinges ind i en lukket ring, der er mere stramt buet, end det naturligt ønsker at være, " som Hayward forklarer.

"Det, vi opdagede, er, at den meget nyttige egenskab ved at være mekanisk stabil i en bøjet konfiguration ser ud til at kræve forspænding. Så vidt vi ved, ingen havde nogensinde set på, hvordan og hvorfor sådanne strukturer har stabilitet i bøjet tilstand, " tilføjer han.

Han påpeger, "Det vil være nyttigt for os at forstå dette grundlæggende princip, hvilket er nøglen, når man designer nye applikationer. Hvis du skal bygge en rekonfigurerbar enhed, det er vigtigt at vide hvorfor det virker, og hvornår det måske mislykkes." Detaljer vises i det aktuelle onlinenummer af Blødt stof .

Hayward siger, at mekanikken, der forklarer bølgeformede rørs evne til at forlænges og trækkes sammen i længden, er "temmelig veletablerede, " ligesom ideen om, at flytning af materialer mellem mekanisk stabile tilstande kræver at overvinde en energibarriere. Leger med en række farverige bøjelige rør på sit skrivebord, han demonstrerer, at røret holder sin form i begge tilstande, og at en energibarriere krydses, når den springer ind og ud af hver.

"Mysteriet er, hvorfor dette rør med stablede kegler skal være stabilt i bøjet tilstand, " bemærker han. "Der er ingen åbenlys grund til, at et bøjet sugerør skal være stabilt, når det bøjes."

For at eksperimentere med dette, han og kollegerne skar et rør på langs for at se, hvad der ville ske. Ved at skære røret over, han siger, "vi fandt ud af, at røret ville åbne sig og blive fladt, hvilket var et serendipitalt øjeblik. Det var noget, vi måtte gå tilbage og prøve at forstå. Det var nøglen til at opdage rollen som forstress. Vi fandt ud af, at når du slapper af krumningen, manglen på lagret energi eliminerer stabilitet i bøjet tilstand. Vi byggede også nogle rør, som vi tvang lukket ved en mindre radius, at indføre forstress, og fandt ud af, at dette genoprettede evnen til at holde en bøjet form."

De analyserede denne "pre-stress"-effekt gennem krumningsanalyse under deformation ved hjælp af røntgencomputertomografi og med en simpel mekanisk model, der fangede den kvalitative opførsel af de meget rekonfigurerbare systemer.

Forfatterne påpeger, at "Mange biologiske mekanismer er blevet afdækket, der udnytter snap-through overgange mellem mekanisk stabile tilstande af slanke elastiske strukturer for at opnå hurtig bevægelse. Mens meget af litteraturen har fokuseret på bistabilitet, systemer, der understøtter flere stabile tilstande, er attraktive til design af meget rekonfigurerbare strukturer, "såsom dem, de rapporterer om.