Фракталы помогут создавать сверхлегкие конструкции

В макромасштабных конструкциях фракталы могут иметь ту же прочность, что и стократно более тяжёлые обычные структуры. Однако пока технологические процессы, позволяющие использовать их возможности, нуждаются в дополнительной проработке.

Группа английских исследователей под руководством Юн Мао (Yong Mao) изНоттингемского университета провела эксперимент, показывающий, что фракталоподобные несущие конструкции выдерживают ту же нагрузку, что и обычные, при радикально меньшем весе.
Фрактал — геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, то есть составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. В природе частичные (неидеальные) фракталы очень распространены — от снежинок до деревьев и костей человеческого скелета, а то и структуры галактических скоплений. Разумеется, фракталы давно замечены инженерами: так, часть конструкции Эйфелевой башни имеет форму фракталов.

«Поколение-2» имеет уже два уровня самоподобия, что резко увеличивает его прочность, хотя и делает уязвимее к дефектам. (Здесь и ниже иллюстрации D. Rayneau-Kirkhope et al.)

При помощи 3D-принтера британцы создали фрактальные структуры, несущая способность которых затем подвергалась измерению в различных условиях. Первичным элементом такого фрактала стала полая балка — её учёные назвали «элемент нулевого поколения». Следующий шаг, «поколение-1», представляет собой сходную балку большей длины, построенную из элементов «поколения-0», связанных в сеть, в основе компоновки которой лежит треугольник. Эта форма была выбрана потому, что просчёт многоугольников с бóльшим количеством углов значительно сложнее.

Экспериментальная реализация была изготовлена из резины, однако и для стали должны наблюдаться те же закономерности.

На основе этих элементов исследователи создали также «поколение-2» — конструкцию с тремя уровнями самоподобия. Выяснилось, что разрушение такой конструкции и другой, изготовленной из аналогичного материала, но иного веса, происходило практически при одинаковых нагрузках. И это при том, что их масса различалась от 100 (поколение-1) до 10 000 раз (поколение-2).

Использование стальной конструкции по типу «поколения-3» для изготовления стрелы крана или лонжерона для солнечного паруса, полагают учёные, позволило бы снизить их вес в соответствующее количество раз. Впрочем, таких приложений может быть великое количество, высокая прочность при низком весе не помешает и в авиации, и в автомобилестроении.

Но есть и проблема. Такая конструкция действительно будет прочнее при том же весе или легче при той же прочности, однако во столько же раз она окажется чувствительнее к дефектам при изготовлении. Это означает, что, если в крупной структуре окажется хотя бы мелкий дефект, вся конструкция может разрушиться, в то время как обычная сборка испытает лишь локальную поломку.

Таким образом, на сегодняшнем этапе точности производства фракталоподобных материалов их использование целесообразно только там, где применим строжайший контроль качества. А пока исследователи дорабатывают методы качественного изготовления таких конструкций при помощи быстрого прототипирования (одной из технологий, используемых для изготовления изделий на 3D-принтере).

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.