02 أغسطس 2023 (أضواء Nanowerk) تُظهر جميع الأنظمة الميكانيكية رنينًا اهتزازيًا ، حيث ينتقل نقل الطاقة من خلال الهيكل عند ترددات طبيعية معينة. ينبع تأثير الرنين هذا من خصائص الكتلة والصلابة للنظام. في هذه الترددات الرنانة ، يمكن تضخيم حتى المدخلات الاهتزازية الصغيرة إلى حركات تذبذبية كبيرة. على سبيل المثال ، دفع الطفل على أرجوحة بالتردد الطبيعي يؤدي إلى اهتزازات هائلة من الحد الأدنى من الجهد. في تطبيقات الهندسة الميكانيكية ، يمكن أن تكون هذه الرنين كارثية ، وغالبًا ما تنتج ضوضاء واهتزازًا لا يُحتملان ، أو حتى فشلًا كارثيًا في المعدات الحساسة. لذلك فإن الحد من التضخيم عند ترددات الرنين هو أمر بالغ الأهمية للتخفيف من هذه الآثار الضارة عبر المجالات التي تتراوح من الفضاء الجوي إلى الصوتيات. غالبًا ما تتضمن حلول التخميد الاهتزازي التقليدية مقايضة معقدة بين أداء التخميد والكتلة والصلابة. تعتمد هذه الحلول عادةً على الهياكل الميكانيكية المعقدة أو الأنظمة الكهربائية ، والتي يمكن أن تضيف كتلة أو تقلل الصلابة ، مما يجعلها غير مناسبة للعديد من التطبيقات. تتغلب المواد الخارقة الملتوية على هذه القيود عن طريق استخدام عدم استقرار الانثناء لتحقيق أداء التخميد العالي دون الحاجة إلى زيادة الكتلة أو فقدان الصلابة. طور الباحثون فئة جديدة من الآلات الميكانيكية المواد الخام تعمل على الاستفادة من عدم استقرار الانثناء لتحقيق التخميد الشديد للاهتزاز ، وفقًا لدراسة رائدة حديثة نُشرت في المواد المتقدمة ("ربط المواد الخارقة للتخميد الشديد بالاهتزازات"). يمكن أن تتيح هذه "المواد الخارقة المتشابكة" هياكل خفيفة الوزن تخمد الاهتزازات بشكل أكثر فاعلية من المواد الموجودة وتحول نطاقًا واسعًا من التقنيات حيث يكون التحكم في الاهتزازات أمرًا بالغ الأهمية. تتخذ المواد الفوقية الجديدة نهجًا مختلفًا تمامًا ، وذلك باستخدام عدم استقرار الانحناء لمكوناتها الأساسية الحاملة للحث على السلوك غير الخطي الذي يخمد الاهتزازات. أوضح المؤلف الرئيسي David Dykstra من جامعة أمستردام: "لقد أثبتنا أن المواد الخارقة التي تحمل الأحمال القائمة بذاتها والتي تخضع لعدم استقرار الانثناء يمكن أن تضع حدودًا صارمة على انتقال الاهتزازات ، وتشبع التسارع بأقصى قيمة بغض النظر عن المدخلات".
اهتزازات التخميد مع التواء. أ) يمكن لنظام المثبط الزنبركي الكتلي (M) ، مع الإثارة الأساسية (الأزرق) أن يُظهر استجابة مضخمة كبيرة (برتقالية) حول الرنين. ب) عندما يكون الزنبرك عبارة عن حزمة رفيعة ، يمكن أن تنثني عند تعرضها لحمل ضغط كافٍ من الإثارة الأساسية ، فقد تكون الاستجابة المكبرة أقل. C ، D) تشوه عينة هولار مع كتلة مثبتة في الأعلى عند تعرضها لإثارة قاعدة من الأسفل حول التردد الذاتي. ج) تسارع الإثارة الأساسي بمقدار 0.26 جم عند 33.8 هرتز ؛ د) تسارع إثارة cbase من 0.89G عند 33.0 هرتز. يتم تتبع الإهليلجية للثقوب ، Ω ، بعلامات بيضاوية حمراء وزرقاء (انظر "تحليل الصورة" في القسم التجريبي ، شريط الألوان). E ، F) تحفز الإثارة الأساسية (الزرقاء) البالغة 0.26 جم (هـ) و 0.89 ج (ف) على تسارع الإخراج (برتقالي) بمقدار 4.3 جم (هـ) و 5.7 ج (ف) ، على التوالي. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) أوضح الباحثون أولاً المفهوم باستخدام مادة metameric بوليمرية بنمط من الثقوب الدائرية ، والتي تلتف تحت الضغط عند سعات اهتزاز أعلى. يتسبب الالتواء غير الخطي في استقرار في القوة المنقولة بغض النظر عن سعة دخل الاهتزاز. كما أنه يقدم التخميد الذي يمنع انتقال الاهتزازات في كل من الضغط والتوتر. هذا يعني أن هذه المواد يمكنها التحكم في الاهتزازات بشكل فعال حتى عندما يتم سحبها ، وهو تقدم كبير في مجال التخميد الاهتزازي.
أظهر الفريق أن هذه الآلية ترطب بكفاءة الاهتزازات في المواد الفوقية المرنة عبر مجموعة من اهتزازات الإدخال العشوائية والرقابة. لكن اللدائن لها صلابة منخفضة بطبيعتها ، مما يجعلها غير عملية للعديد من التطبيقات.
لذا ، واصل الباحثون تطوير مادة معدنية ملتوية باستخدام شبكة معقدة من صفائح الفولاذ المنحنية. يسمح التصميم ذو الجدران الرقيقة بالتواء مرن بدون تشوه دائم. تحت الاهتزاز ، يُظهر الهيكل أحداث التواء مفاجئة تعمل على تبديد الطاقة.
أظهرت المادة الفولاذية معامل تخميد أعلى بحوالي 23 مرة من المعادن التقليدية خفيفة الوزن. وفقًا للمؤلف المشارك Corentin Coulais ، "يوضح هذا أنه يمكن استخدام مواد الالتواء لتجاوز حدود Ashby لمعامل الخسارة مقابل معامل محدد." توضح الدراسة أن المفهوم يعمل لكل من المواد اللينة والقاسية. بالإضافة إلى العمل التجريبي ، طور الباحثون نموذجًا رقميًا بسيطًا للتنبؤ باستجابة التخميد الاهتزازي القائم على التواء. يعد هذا النموذج أداة قيمة للتصميم المستقبلي لهذه المواد وتحسينها ، مما يمهد الطريق لأنظمة التخميد الأكثر كفاءة وفعالية.
التطبيقات المحتملة للمواد الخارقة المتشابكة واسعة وتحويلية. في صناعة الطيران ، على سبيل المثال ، يمكن أن تتيح هذه المواد هياكل طائرات أخف وزنا وأكثر مقاومة للاهتزازات. ستعمل الأجنحة أو الكبائن الرقيقة والمبللة على تحسين كفاءة استهلاك الوقود وراحة الركاب والسلامة من خلال تجنب الأعطال الهيكلية.
بالنسبة لصانعي الأدوات العلمية عالية الدقة مثل المجاهر الإلكترونية ، يمكن للمواد أن تقضي على الاهتزازات المتداخلة التي تقوض دقة الصورة دون المساس بالصلابة. يمكن أن تعمل هياكلها خفيفة الوزن عالية التخميد أيضًا على استقرار المعدات في البيئات الديناميكية مثل السيارات ذاتية القيادة.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لقطاع السيارات استخدام المواد الخارقة الملتوية لتهدئة الكبائن وتحسين جودة الركوب دون زيادة الوزن. يعني الثبات المرن للمواد أنها يمكنها تحمل دورات الاهتزاز المتكررة دون تعب. يمكن لبنيتها ذات الجدران الرقيقة أن تتيح المزيد من مكونات التخميد المدمجة.
ستساعد النتائج أيضًا في تحسين تصاميم توربينات الرياح والجسور. تعمل اهتزازات برج التخميد والسطح على تجنب إجهاد المواد ومشاكل الرنين التي تقلل من عمر الخدمة. يمكن للمهندسين المدنيين الآن إنشاء بنية تحتية أكثر مرونة مع عمر تشغيلي أطول.
ويمكن لمصنعي الآلات الصناعية والأذرع الروبوتية دمج المواد الخارقة لتقليل التذبذبات التي تعيق الدقة والجودة. سيؤدي القضاء على الاهتزازات إلى زيادة الإنتاجية في المصانع الآلية.
تمتد الإمكانات إلى مجالات مثل الصوتيات و MEMS أيضًا.
By
مايكل
بيرجر
اهتزازات التخميد مع التواء. أ) يمكن لنظام المثبط الزنبركي الكتلي (M) ، مع الإثارة الأساسية (الأزرق) أن يُظهر استجابة مضخمة كبيرة (برتقالية) حول الرنين. ب) عندما يكون الزنبرك عبارة عن حزمة رفيعة ، يمكن أن تنثني عند تعرضها لحمل ضغط كافٍ من الإثارة الأساسية ، فقد تكون الاستجابة المكبرة أقل. C ، D) تشوه عينة هولار مع كتلة مثبتة في الأعلى عند تعرضها لإثارة قاعدة من الأسفل حول التردد الذاتي. ج) تسارع الإثارة الأساسي بمقدار 0.26 جم عند 33.8 هرتز ؛ د) تسارع إثارة cbase من 0.89G عند 33.0 هرتز. يتم تتبع الإهليلجية للثقوب ، Ω ، بعلامات بيضاوية حمراء وزرقاء (انظر "تحليل الصورة" في القسم التجريبي ، شريط الألوان). E ، F) تحفز الإثارة الأساسية (الزرقاء) البالغة 0.26 جم (هـ) و 0.89 ج (ف) على تسارع الإخراج (برتقالي) بمقدار 4.3 جم (هـ) و 5.7 ج (ف) ، على التوالي. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) أوضح الباحثون أولاً المفهوم باستخدام مادة metameric بوليمرية بنمط من الثقوب الدائرية ، والتي تلتف تحت الضغط عند سعات اهتزاز أعلى. يتسبب الالتواء غير الخطي في استقرار في القوة المنقولة بغض النظر عن سعة دخل الاهتزاز. كما أنه يقدم التخميد الذي يمنع انتقال الاهتزازات في كل من الضغط والتوتر. هذا يعني أن هذه المواد يمكنها التحكم في الاهتزازات بشكل فعال حتى عندما يتم سحبها ، وهو تقدم كبير في مجال التخميد الاهتزازي.
أظهر الفريق أن هذه الآلية ترطب بكفاءة الاهتزازات في المواد الفوقية المرنة عبر مجموعة من اهتزازات الإدخال العشوائية والرقابة. لكن اللدائن لها صلابة منخفضة بطبيعتها ، مما يجعلها غير عملية للعديد من التطبيقات.
لذا ، واصل الباحثون تطوير مادة معدنية ملتوية باستخدام شبكة معقدة من صفائح الفولاذ المنحنية. يسمح التصميم ذو الجدران الرقيقة بالتواء مرن بدون تشوه دائم. تحت الاهتزاز ، يُظهر الهيكل أحداث التواء مفاجئة تعمل على تبديد الطاقة.
أظهرت المادة الفولاذية معامل تخميد أعلى بحوالي 23 مرة من المعادن التقليدية خفيفة الوزن. وفقًا للمؤلف المشارك Corentin Coulais ، "يوضح هذا أنه يمكن استخدام مواد الالتواء لتجاوز حدود Ashby لمعامل الخسارة مقابل معامل محدد." توضح الدراسة أن المفهوم يعمل لكل من المواد اللينة والقاسية. بالإضافة إلى العمل التجريبي ، طور الباحثون نموذجًا رقميًا بسيطًا للتنبؤ باستجابة التخميد الاهتزازي القائم على التواء. يعد هذا النموذج أداة قيمة للتصميم المستقبلي لهذه المواد وتحسينها ، مما يمهد الطريق لأنظمة التخميد الأكثر كفاءة وفعالية.
التطبيقات المحتملة للمواد الخارقة المتشابكة واسعة وتحويلية. في صناعة الطيران ، على سبيل المثال ، يمكن أن تتيح هذه المواد هياكل طائرات أخف وزنا وأكثر مقاومة للاهتزازات. ستعمل الأجنحة أو الكبائن الرقيقة والمبللة على تحسين كفاءة استهلاك الوقود وراحة الركاب والسلامة من خلال تجنب الأعطال الهيكلية.
بالنسبة لصانعي الأدوات العلمية عالية الدقة مثل المجاهر الإلكترونية ، يمكن للمواد أن تقضي على الاهتزازات المتداخلة التي تقوض دقة الصورة دون المساس بالصلابة. يمكن أن تعمل هياكلها خفيفة الوزن عالية التخميد أيضًا على استقرار المعدات في البيئات الديناميكية مثل السيارات ذاتية القيادة.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لقطاع السيارات استخدام المواد الخارقة الملتوية لتهدئة الكبائن وتحسين جودة الركوب دون زيادة الوزن. يعني الثبات المرن للمواد أنها يمكنها تحمل دورات الاهتزاز المتكررة دون تعب. يمكن لبنيتها ذات الجدران الرقيقة أن تتيح المزيد من مكونات التخميد المدمجة.
ستساعد النتائج أيضًا في تحسين تصاميم توربينات الرياح والجسور. تعمل اهتزازات برج التخميد والسطح على تجنب إجهاد المواد ومشاكل الرنين التي تقلل من عمر الخدمة. يمكن للمهندسين المدنيين الآن إنشاء بنية تحتية أكثر مرونة مع عمر تشغيلي أطول.
ويمكن لمصنعي الآلات الصناعية والأذرع الروبوتية دمج المواد الخارقة لتقليل التذبذبات التي تعيق الدقة والجودة. سيؤدي القضاء على الاهتزازات إلى زيادة الإنتاجية في المصانع الآلية.
تمتد الإمكانات إلى مجالات مثل الصوتيات و MEMS أيضًا.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغير و
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63446.php
