Νέα είδη επένδυσης θα μπορούσαν να κάνουν πιο ασφαλή τον εξοπλισμό ποδοσφαίρου και τα κράνη ποδηλάτου

Οι επιστήμονες αναπτύσσουν νέο υλικό που απορροφά έξι φορές περισσότερη ενέργεια

Νέα είδη επένδυσης θα μπορούσαν να κάνουν πιο ασφαλή τον εξοπλισμό ποδοσφαίρου και τα κράνη ποδηλάτου

Σε εργαστηριακές δοκιμές, μια νέα σχεδίαση για επένδυση, δεξιά, ξεπέρασε τις πιο συμβατικές τεχνολογίες, όπως αφρός, αριστερά, κατασκευασμένη από το ίδιο ελαστικό υλικό. Πραγματοποίηση: Lawrence Smith

Οι ποδοσφαιριστές (και οποιοσδήποτε άλλος δέχεται δυνατά χτυπήματα) μπορεί να θέλουν να αναπνεύσουν ανακούφιση.

Σε πρόσφατη έρευνα, μηχανικοί στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο του Boulder και στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia ανέπτυξαν ένα νέο σχέδιο για επένδυση που μπορεί να αντέξει μεγάλες κρούσεις. Οι καινοτομίες της ομάδας, οι οποίες μπορούν να εκτυπωθούν σε εμπορικά διαθέσιμους τρισδιάστατους εκτυπωτές, θα μπορούσαν μια μέρα να ολοκληρωθούν σε οτιδήποτε, από τα κιβώτια αποστολής μέχρι τα μαξιλάρια ποδοσφαίρου – οτιδήποτε βοηθά στην προστασία εύθραυστων αντικειμένων ή σωμάτων από τα χτυπήματα της ζωής.

Η ομάδα περιέγραψε την τεχνολογία σε ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Προηγμένες Τεχνολογίες Υλικών.

«Ο μετριασμός των κρούσεων είναι κάτι που είναι σημαντικό παντού», δήλωσε ο Robert MacCurdy, αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης και επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Paul M. Rady στο CU Boulder. «Είναι σε εμπόδια σύγκρουσης αυτοκινητοδρόμων, επιγονατίδες και αγκώνες, και στον εξοπλισμό συσκευασίας».

Η έρευνα ρίχνει μια νέα ματιά σε κάτι που οι περισσότεροι άνθρωποι αντιμετωπίζουν συνεχώς, αλλά σπάνια παρατηρούν: τους αφρούς. Είναι στριμωγμένα υλικά γεμάτα με αμέτρητες μικροσκοπικές τρύπες και κανάλια. Εικόνα συσκευασίας φυστικιών ή μπάλες άγχους. Ο MacCurdy είπε ότι οι αφροί μπορούν να είναι καλοί στην απορρόφηση των χτυπημάτων, αλλά έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα: Εάν πιέσετε έναν αφρό αρκετά δυνατά, τελικά θα συμπιεστεί σε ένα άκαμπτο ραβδί.


Σε εργαστηριακά πειράματα, μηχανικοί στο CU Boulder 3D εκτύπωσαν νέα σχέδια για επένδυση και στη συνέχεια τα συνθλίβουν με ένα ισχυρό μηχάνημα. Οι δημιουργίες της ομάδας στάθηκαν στο ύψος των επιπτώσεων, απορροφώντας πολλές φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που φτιάχνουν τα παραδοσιακά σχέδια ή οι αφροί από το ίδιο υλικό. Πραγματοποίηση: Lawrence Smith

Αυτός και οι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι μπορούν να τα καταφέρουν καλύτερα.

Στη νέα μελέτη, η ομάδα έγραψε αλγόριθμους υπολογιστών για να επανασχεδιάσει σχολαστικά το εσωτερικό των υλικών απορρόφησης κραδασμών – επιτρέποντάς τους να λυγίσουν υπό τη δύναμη, αλλά μόνο ακολουθώντας ένα προσεκτικό σχέδιο. Όταν η ομάδα δοκίμασε τα σχέδιά της στο εργαστήριο, ανακάλυψε ότι η επένδυση τους μπορούσε να απορροφήσει έως και 25% περισσότερη δύναμη από τις τρέχουσες τεχνολογίες αιχμής.

«Το υλικό που χρησιμοποιείτε για την απορρόφηση έχει σημασία», είπε ο MacCurdy. «Αλλά αυτό που πραγματικά έχει σημασία είναι η γεωμετρία».

Μεγέθυνση

Για να καταλάβετε γιατί ορισμένα μαξιλάρια λειτουργούν καλά και άλλα όχι, βοηθάει να κοιτάξετε βαθιά μέσα σας.

Αυτό που δίνει σε έναν αφρό το ελατήριό του, για παράδειγμα, είναι όλες εκείνες οι μικρές γωνίες και οι γωνίες. Όταν πιέζετε ένα σφουγγάρι, εξήγησε ο MacCurdy, αυτοί οι κενοί χώροι θα αρχίσουν να κλείνουν, το οποίο, με τη σειρά του, απορροφά ενέργεια.

Μερικοί μηχανικοί έχουν προχωρήσει πέρα ​​από αυτό το βασικό σχέδιο. Αντίθετα, φτιάχνουν γεμίσματα από ένα δίκτυο εξαγωνικών πύργων, ή «πλακοδικτύων», που μοιάζουν λίγο με κηρήθρες. Εάν ένας υποστηρικτής της γραμμής, ίσως, προσκρούσει σε αυτό το είδος μαξιλαριού, η πρόσκρουση θα προκαλέσει την κατάρρευση των κηρηθρών σε ένα μοτίβο που μοιάζει με κύμα. Αυτός είναι ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος απορρόφησης δυνάμεων.

Όμως, σημείωσε ο MacCurdy, οι ερευνητές προσπάθησαν εδώ και καιρό για επένδυση που πληροί ένα χρυσό πρότυπο – τεχνολογία που δεν απορροφά απλώς πολλή δύναμη, αλλά μπορεί επίσης να απορροφήσει πολλά διαφορετικά είδη δυνάμεων με την ίδια φινέτσα.

«Αν οδηγείς το ποδήλατό σου και πάθεις σύγκρουση, δεν ξέρεις αν αυτό θα είναι πρόσκρουση σε χαμηλή ταχύτητα ή πρόσκρουση υψηλής ταχύτητας. Αλλά ανεξάρτητα από το, περιμένεις το κράνος σου να έχει καλή απόδοση», είπε. «Προσπαθούμε να αναπτύξουμε μια γεωμετρία που να αποδίδει καλά σε όλα αυτά τα σενάρια».

Δίνοντας τη συμπίεση

Για να φτιάξουν ένα πιο ευέλικτο μαξιλάρι, ο μηχανικός και οι συνάδελφοί του επέλεξαν να αναδιατάξουν το εσωτερικό αυτών των αντικειμένων, σε κλίμακα ενός χιλιοστού ή λιγότερο.

Η ομάδα χρησιμοποίησε αρχικά προσαρμοσμένο λογισμικό για να σχεδιάσει ένα δίκτυο από κηρήθρες και στη συνέχεια τις τροποποίησε ώστε να συμπεριλάβουν μερικές στροφές, λίγο σαν τη φυσούνα σε ένα ακορντεόν. Αυτές οι στροφές βοηθούν στην καθοδήγηση των κηρήθρων καθώς τσακίζονται κατά τη διάρκεια μιας πρόσκρουσης, επιτρέποντας μια πολύ πιο ομαλή κατάρρευση.

«Τη στιγμή που αρχίζετε να συμπιέζετε αυτές τις δομές, απορροφούν ένα ορισμένο ποσό δύναμης», είπε ο MacCurdy. “Οι καλύτεροι σχεδιασμοί απορροφητών διατηρούν σταθερή δύναμη σε όλο το εύρος συμπίεσης.”

Με άλλα λόγια, σε αντίθεση με τον αφρό, αυτά τα μαξιλάρια θα συμπεριφέρονται το ίδιο ανεξάρτητα από το πόσο πολύ τα πιέζετε — ή, τουλάχιστον, μέχρι ένα ορισμένο μέγιστο.

Οι ερευνητές ήθελαν επίσης να βεβαιωθούν ότι η επένδυση τους θα μπορούσε να αντέξει σε χτυπήματα και μώλωπες στον πραγματικό κόσμο. Χρησιμοποίησαν έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για να δημιουργήσουν μπλοκ στο μέγεθος ενός μικρού τούβλου από ένα ελαστικό υλικό που ονομάζεται θερμοπλαστική πολυουρεθάνη. Στη συνέχεια τα έσφιξαν με μηχάνημα δοκιμών κρούσης.

Η ομάδα ανακάλυψε ότι τα μπλοκ του μπορούσαν να απορροφήσουν περίπου έξι φορές περισσότερη ενέργεια από τους τυπικούς αφρούς από το ίδιο υλικό και έως και 25% περισσότερο από άλλα σχέδια κηρήθρας. Ο MacCurdy και οι συνάδελφοί του εργάζονται επί του παρόντος για να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο τις δομές τους. Πρόσθεσε ότι οι μηχανικοί μπορούν να κάνουν αυτού του είδους τα σχέδια από πολλούς διαφορετικούς τύπους υλικών, από ελαστικά πλαστικά έως σκληρότερες ουσίες όπως το αλουμίνιο.

Ο κόσμος, με άλλα λόγια, θα μπορούσε σύντομα να γίνει ένα πολύ πιο ήπιο μέρος.

Αναφορά: «Συντονίσιμα μεταϋλικά για τον μετριασμό των επιπτώσεων» των Lawrence Smith, Brandon Hayes, Kurtis Ford, Elizabeth Smith, David Flores και Robert MacCurdy, 20 Ιανουαρίου 2024, Προηγμένες Τεχνολογίες Υλικών.
DOI: 10.1002/admt.202301668

Η μετάφραση έγινε με τη βοήθεια του Google Translate
ΠΗΓΗ: scitechdaily.com

Απάντηση