02 agosto 2023 (Faretto Nanowerk) Tutti i sistemi meccanici mostrano risonanze vibrazionali, dove la trasmissione di energia attraverso la struttura aumenta a determinate frequenze naturali. Questo effetto di risonanza deriva dalle proprietà di massa e rigidità del sistema. A queste frequenze di risonanza, anche piccoli input vibrazionali possono essere amplificati in grandi movimenti oscillatori. Ad esempio, spingere un bambino su un'altalena alla frequenza naturale porta a enormi oscillazioni con il minimo sforzo. Nelle applicazioni di ingegneria meccanica, queste risonanze possono essere disastrose, producendo spesso rumore e vibrazioni intollerabili o persino guasti catastrofici in apparecchiature sensibili. Limitare l'amplificazione alle frequenze di risonanza è quindi fondamentale per mitigare questi effetti dannosi in campi che vanno dall'aerospaziale all'acustica. Le tradizionali soluzioni di smorzamento delle vibrazioni spesso comportano un complesso compromesso tra prestazioni di smorzamento, massa e rigidità. Queste soluzioni si basano tipicamente su strutture meccaniche complesse o sistemi elettrici, che possono aggiungere massa o ridurre la rigidità, rendendole inadatte a molte applicazioni. I metamateriali di instabilità superano queste limitazioni utilizzando le instabilità di instabilità per ottenere elevate prestazioni di smorzamento senza la necessità di massa aggiuntiva o perdita di rigidità. I ricercatori hanno sviluppato una nuova classe di meccanica metamateriali che sfruttano le instabilità di instabilità per ottenere un estremo smorzamento delle vibrazioni, secondo un recente studio innovativo pubblicato in Materiale avanzato ("Metamateriali deformabili per lo smorzamento estremo delle vibrazioni"). Questi "metamateriali instabili" potrebbero consentire strutture leggere che smorzano le vibrazioni in modo più efficace rispetto ai materiali esistenti e trasformare un'ampia gamma di tecnologie in cui il controllo delle vibrazioni è fondamentale. I nuovi metamateriali adottano un approccio completamente diverso, utilizzando le instabilità di instabilità dei loro componenti portanti primari per indurre un comportamento non lineare che smorza le vibrazioni. "Dimostriamo che i metamateriali autoportanti sottoposti a instabilità di instabilità possono fissare limiti rigidi alla trasmissione delle vibrazioni, saturando l'accelerazione a un valore massimo indipendentemente dall'input", ha spiegato l'autore principale David Dykstra dell'Università di Amsterdam.
Smorzamento delle vibrazioni con instabilità. A) Un sistema di smorzamento a molla di massa (M), con eccitazione di base (blu) può mostrare una grande risposta amplificata (arancione) attorno alla risonanza. B) Quando la molla è una trave sottile, che può piegarsi se sottoposta a un carico di compressione sufficiente dall'eccitazione della base, la risposta amplificata può essere inferiore. C,D) La deformazione di un campione olare con massa montata sopra quando sottoposto ad un'eccitazione di base dal basso intorno alla frequenza propria. C) Accelerazione di eccitazione base di 0.26 G a 33.8 Hz; D) accelerazione di eccitazione cbase di 0.89 G a 33.0 Hz. L'ellitticità dei fori, Ω, è tracciata con ellissi rosse e blu (vedi “Analisi dell'immagine” nella Sezione Sperimentale, barra dei colori). E, F) Le eccitazioni di base (blu) di 0.26 G (E) e 0.89 G (F) inducono accelerazioni di uscita (arancione) rispettivamente di 4.3 G (E) e 5.7 G (F). (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) I ricercatori hanno prima illustrato il concetto utilizzando un metamateriale polimerico con uno schema di fori circolari, che si piega sotto compressione ad ampiezze di vibrazione più elevate. La non linearità dell'instabilità provoca un plateau nella forza trasmessa indipendentemente dall'ampiezza dell'input di vibrazione. Introduce inoltre uno smorzamento che sopprime ulteriormente la trasmissione delle vibrazioni sia in compressione che in tensione. Ciò significa che questi materiali possono controllare efficacemente le vibrazioni anche quando vengono smontati, un progresso significativo nel campo dello smorzamento delle vibrazioni.
Il team ha dimostrato che questo meccanismo smorza in modo efficiente le vibrazioni nei metamateriali elastomerici attraverso una gamma di vibrazioni di input controllate e casuali. Ma gli elastomeri hanno una rigidità intrinsecamente bassa, il che li rende poco pratici per molte applicazioni.
Quindi i ricercatori hanno continuato a sviluppare un metamateriale metallico utilizzando un intricato reticolo di lamiere di acciaio curve. Il design a parete sottile consente l'instabilità elastica senza deformazioni permanenti. Sotto la vibrazione, la struttura mostra eventi di instabilità a scatto che dissipano energia.
Il metamateriale in acciaio ha mostrato un coefficiente di smorzamento circa 23 volte superiore rispetto ai metalli leggeri convenzionali. Secondo il coautore Corentin Coulais, "Questo dimostra che i metamateriali instabili possono essere utilizzati per superare i limiti di Ashby del coefficiente di perdita rispetto al modulo specifico". Lo studio dimostra che il concetto funziona sia per materiali morbidi che rigidi. Oltre al lavoro sperimentale, i ricercatori hanno sviluppato un semplice modello numerico per prevedere la risposta dello smorzamento delle vibrazioni basato sull'instabilità. Questo modello è uno strumento prezioso per la futura progettazione e ottimizzazione di questi materiali, aprendo la strada a sistemi di smorzamento più efficienti ed efficaci.
Le potenziali applicazioni dei metamateriali instabili sono vaste e trasformative. Nell'industria aerospaziale, ad esempio, questi materiali potrebbero consentire strutture aeronautiche più leggere e più resistenti alle vibrazioni. Ali o cabine più sottili e smorzate migliorerebbero l'efficienza del carburante, il comfort dei passeggeri e la sicurezza evitando cedimenti strutturali.
Per i produttori di strumenti scientifici di alta precisione come i microscopi elettronici, i materiali potrebbero eliminare le vibrazioni interferenti che minano la precisione dell'immagine senza compromettere la rigidità. Le loro strutture leggere ad alto smorzamento potrebbero anche stabilizzare le apparecchiature in ambienti dinamici come le auto a guida autonoma.
Inoltre, il settore automobilistico potrebbe impiegare metamateriali deformabili per silenziare le cabine e migliorare la qualità di guida senza aggiungere peso. La stabilità elastica dei materiali significa che possono sopportare ripetuti cicli di vibrazione senza affaticarsi. La loro architettura a parete sottile potrebbe consentire componenti di smorzamento più compatti.
I risultati aiuteranno anche a ottimizzare i progetti di turbine eoliche e ponti. Lo smorzamento delle vibrazioni della torre e dell'impalcato evita l'affaticamento del materiale e i problemi di risonanza che riducono la vita utile. Gli ingegneri civili possono ora creare un'infrastruttura più resiliente con una maggiore durata operativa.
E i produttori di macchine industriali e bracci robotici potrebbero integrare i metamateriali per ridurre le oscillazioni che ostacolano la precisione e la qualità. L'eliminazione delle vibrazioni aumenterà la produttività nelle fabbriche automatizzate.
Il potenziale si estende anche a campi come l'acustica e i MEMS.
By
Michael
Berger
Smorzamento delle vibrazioni con instabilità. A) Un sistema di smorzamento a molla di massa (M), con eccitazione di base (blu) può mostrare una grande risposta amplificata (arancione) attorno alla risonanza. B) Quando la molla è una trave sottile, che può piegarsi se sottoposta a un carico di compressione sufficiente dall'eccitazione della base, la risposta amplificata può essere inferiore. C,D) La deformazione di un campione olare con massa montata sopra quando sottoposto ad un'eccitazione di base dal basso intorno alla frequenza propria. C) Accelerazione di eccitazione base di 0.26 G a 33.8 Hz; D) accelerazione di eccitazione cbase di 0.89 G a 33.0 Hz. L'ellitticità dei fori, Ω, è tracciata con ellissi rosse e blu (vedi “Analisi dell'immagine” nella Sezione Sperimentale, barra dei colori). E, F) Le eccitazioni di base (blu) di 0.26 G (E) e 0.89 G (F) inducono accelerazioni di uscita (arancione) rispettivamente di 4.3 G (E) e 5.7 G (F). (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) I ricercatori hanno prima illustrato il concetto utilizzando un metamateriale polimerico con uno schema di fori circolari, che si piega sotto compressione ad ampiezze di vibrazione più elevate. La non linearità dell'instabilità provoca un plateau nella forza trasmessa indipendentemente dall'ampiezza dell'input di vibrazione. Introduce inoltre uno smorzamento che sopprime ulteriormente la trasmissione delle vibrazioni sia in compressione che in tensione. Ciò significa che questi materiali possono controllare efficacemente le vibrazioni anche quando vengono smontati, un progresso significativo nel campo dello smorzamento delle vibrazioni.
Il team ha dimostrato che questo meccanismo smorza in modo efficiente le vibrazioni nei metamateriali elastomerici attraverso una gamma di vibrazioni di input controllate e casuali. Ma gli elastomeri hanno una rigidità intrinsecamente bassa, il che li rende poco pratici per molte applicazioni.
Quindi i ricercatori hanno continuato a sviluppare un metamateriale metallico utilizzando un intricato reticolo di lamiere di acciaio curve. Il design a parete sottile consente l'instabilità elastica senza deformazioni permanenti. Sotto la vibrazione, la struttura mostra eventi di instabilità a scatto che dissipano energia.
Il metamateriale in acciaio ha mostrato un coefficiente di smorzamento circa 23 volte superiore rispetto ai metalli leggeri convenzionali. Secondo il coautore Corentin Coulais, "Questo dimostra che i metamateriali instabili possono essere utilizzati per superare i limiti di Ashby del coefficiente di perdita rispetto al modulo specifico". Lo studio dimostra che il concetto funziona sia per materiali morbidi che rigidi. Oltre al lavoro sperimentale, i ricercatori hanno sviluppato un semplice modello numerico per prevedere la risposta dello smorzamento delle vibrazioni basato sull'instabilità. Questo modello è uno strumento prezioso per la futura progettazione e ottimizzazione di questi materiali, aprendo la strada a sistemi di smorzamento più efficienti ed efficaci.
Le potenziali applicazioni dei metamateriali instabili sono vaste e trasformative. Nell'industria aerospaziale, ad esempio, questi materiali potrebbero consentire strutture aeronautiche più leggere e più resistenti alle vibrazioni. Ali o cabine più sottili e smorzate migliorerebbero l'efficienza del carburante, il comfort dei passeggeri e la sicurezza evitando cedimenti strutturali.
Per i produttori di strumenti scientifici di alta precisione come i microscopi elettronici, i materiali potrebbero eliminare le vibrazioni interferenti che minano la precisione dell'immagine senza compromettere la rigidità. Le loro strutture leggere ad alto smorzamento potrebbero anche stabilizzare le apparecchiature in ambienti dinamici come le auto a guida autonoma.
Inoltre, il settore automobilistico potrebbe impiegare metamateriali deformabili per silenziare le cabine e migliorare la qualità di guida senza aggiungere peso. La stabilità elastica dei materiali significa che possono sopportare ripetuti cicli di vibrazione senza affaticarsi. La loro architettura a parete sottile potrebbe consentire componenti di smorzamento più compatti.
I risultati aiuteranno anche a ottimizzare i progetti di turbine eoliche e ponti. Lo smorzamento delle vibrazioni della torre e dell'impalcato evita l'affaticamento del materiale e i problemi di risonanza che riducono la vita utile. Gli ingegneri civili possono ora creare un'infrastruttura più resiliente con una maggiore durata operativa.
E i produttori di macchine industriali e bracci robotici potrebbero integrare i metamateriali per ridurre le oscillazioni che ostacolano la precisione e la qualità. L'eliminazione delle vibrazioni aumenterà la produttività nelle fabbriche automatizzate.
Il potenziale si estende anche a campi come l'acustica e i MEMS.
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Michael
Berger
- Michael è autore di tre libri della Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: spingendo i confini della tecnologia,
Nanotecnologia: il futuro è minuscolo ed
Nanoingegneria: abilità e strumenti che rendono invisibile la tecnologia
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