Оригами-структура превратила сжатие в распространяющееся растяжение
Американские и японские ученые создали блочную оригами-структуру с необычными механическими свойствами. При ударе деформация в ней трансформируется из сжатия, которое практически полностью гасится в начале структуры, в интенсивное растяжение в виде одиночной волны, распространяющейся дальше по ней. В будущем конструкции такого типа можно будет использовать в амортизаторах или других устройствах для смягчения ударов, рассказывают авторы статьи в Science Advances.
В своей работе ученые исследовали треугольно-цилиндрический узор оригами, который имеет структуру цилиндра, состоящего из треугольных плоскостей, способных менять угол между друг другом. Благодаря такому строению треугольно-цилиндрические оригами-структуры при продольной деформации проявляют два типа движения — поступательное и вращательное. В некоторых разработках, таких как робот-червь, оригами-структуры такого типа используются для превращения одного типа движения в другой.
Ранее другие ученые теоретически показывали возможность распространения одиночной волны растяжения при сжатии в одномерной системе, проявляющей деформационное размягчение. Это означает, что при ударе с одной стороны до другой дойдет не удар, а растяжение. Исследователи под руководством Цзинькюя Яна (Jinkyu Yang) из Вашингтонского университета экспериментально продемонстрировали подобное контринтуитивное поведение материала на примере треугольно-цилиндрической оригами-структуры.
Ученые выбрали структуру в которой базовая ячейка состоит из двух треугольников, организованных в параллелограмм. Вместе шесть таких ячеек образуют цилиндр, на краях которого исследователи закрепили пластиковые детали для скрепления сегментов вместе. Всего в конструкции находятся 20 сегментов, в которых чередуется ориентация. Это сделано для того, чтобы при сжатии соседние сегменты скручивались в разные стороны и тем самым компенсировали вращение друг друга. Исследователи создали модель, описывающую поведение конструкции при сжатии. Модель описывает систему с двумя степенями свободы, поведение которой определяется двумя типами пружин с разными коэффициентами жесткости. В качестве пружин в реальной конструкции выступают сгибы двух типов.
Для экспериментального подтверждения предполагаемого поведения исследователи закрепили на каждом сегменте по несколько инфракрасных маркеров и отследили их перемещения во время деформации. Эксперименты показали, что после удара по крайнему сегменту сначала в первых нескольких сегментах происходит интенсивная сжимающая деформация, однако затем на этом же крае формируется одиночная волна интенсивного растяжения, которая «обгоняет» сжатие и распространяется до другого края с небольшим затуханием, тогда как сжатие затухает практически полностью в первых нескольких сегментах.
Исследователи отмечают, что экспериментальные данные достаточно точно соответствуют поведению модели. Проанализировав поведение структуры, они пришли к выводу, что асимметричное поведение сжатие и растяжения в такой структуре связано именно с тем, что она проявляет деформационное размягчение при сжатии — то есть при сжатии жесткость системы уменьшается, а при растяжении наоборот увеличивается. Авторы статьи отмечают, что, хотя их работа носит скорее теоретический характер, подтверждающий саму возможность такого поведения в больших системах, в будущем такой механизм можно будет использовать в механизмах для смягчения ударов.
Существуют и другие конструкции или материалы с контринтуитивными механическими свойствами. К примеру, существуют ауксетические материалы, которые при растяжении не уменьшаются в поперечном сечении, а расширяются. В 2016 году такое поведение обнаружили у фосфорена и мономолекулярных белковых пленок. Кроме того, существует «механический диод», смещающийся под действием нагрузок только в одну сторону, материал, жесткость которого увеличивается вместе с длиной, и материал, самопроизвольно скручивающийся при сжатии.
Григорий Копиев
ST-40 построен частной британской компанией
Американские и британские физики установили рекорд по достигнутой ионной температуре плазмы в сферических токамаках, который оказался сравним с температурой плазмы в будущем термоядерном реакторе ITER. Рекорд установлен на небольшом частном сферомаке ST40 и доказывает перспективность установок такого типа для работ в области термоядерной энергетики. Статья опубликована в журнале Nuclear Fusion. Сферические токамаки (сферомаки) представляют собой разновидность токамаков — магнитных ловушек, в которых шнур из высокотемпературной плазмы в виде тора, где идут реакции слияния ядер дейтерия и трития, удерживается внутри вакуумной камеры мощными магнитными полями, которые не дают ему коснуться стенок камеры. Однако, в отличие от обычных токамаков у сферомаков меньшее аспектное отношение (отношение большого радиуса тора к малому), которое близко к единице. Считается, что плазма в таких установках может удерживаться дольше и стабильнее, при этом не требуется создавать установку огромных размеров, как экспериментальные реакторы-токамаки ITER или DEMO. Особенно интересны сферомаки в контексте использования в их магнитной системе высокотемпературных сверхпроводников. Но необходимо решить множество физических и инженерных проблем, прежде чем удостовериться, что сферомаки можно рассматривать в качестве перспективных термоядерных реакторов. ST40 — один из действующих экспериментальных сферомаков. Этот компактный токамак был построен частной британской компанией Tokamak Energy и получил первую плазму в 2017 году. Сферомак оснащен вакуумной камерой из нержавеющей стали и сверхпроводящими тороидальными магнитными катушками. Он характеризуется аспектным отношением 1,6–1,9, большим радиусом плазмы 0,4–0,5 метра, током плазмы в диапазоне 0,4–0,8 мегаампер и осевым тороидальным магнитным полем 1,5–2,2 Тесла. Зажигание разряда инициируется за счет компрессии и магнитного пересоединения, без центрального соленоида, который служит для дальнейшего нагрева плазмы. Дополнительный нагрев плазмы обеспечивается двумя системами инжекции высокоэнергетичных нейтральных частиц дейтерия в плазменный шнур. Физики из Принстонской лаборатории физики плазмы, Ок-Риджской национальной лаборатории и Tokamak Energy во главе со Стивеном Макнамарой (Steven A.M. McNamara) сообщили, что достигли рекордно большой для всех сферомаков температуры ионов дейтерия, которая составила 8,6 килоэлектронвольт в центре плазменного шнура. Объем плазмы во время эксперимента составлял 0,9 кубического метра, ток плазмы — 0,6 мегаампер, время жизни разряда — чуть менее 0,15 секунды, а тороидальное магнитное поле — 1,9 Тесла. Максимальная электронная плотность плазмы составила 4,5×1019 частиц в кубическом метре, усредненная, которая поддерживалась во время импульса — 4×1019 частиц в кубическом метре. Достигнутая температура ионов стала самой высокой для сферомаков или токамаков сопоставимых размеров, похожие температуры достигались только на более крупных установках. Для сравнения — в проекте международного термоядерного реактора ITER предполагается достижение ионной температуры в 8 и выше килоэлектронвольт, однако время горения разряда там должно составить около 400 секунд, правда сам реактор гораздо больше по размерам, чем ST-40. Значение тройного термоядерного произведения (температура на плотность плазмы на время удержания энергии, выступает как аналог критерия Лоуссона) для ST-40 составило 6×1018 килоэлектронвольт на секунду, деленное на кубический метр. Результаты экспериментов показывают, что высокие температуры действительно могут быть получены в небольших по размерам сферомаках с сильным магнитным полем. Tokamak Energy надеется, что сможет в середине 2020-х годов ввести в эксплуатацию новый сферомак ST-HTS, который будет оснащен магнитной системой, использующей высокотемпературные сверхпроводники. Ранее мы рассказывали о том, как российские физики рекордно разогрели плазму в сферическом токамаке «Глобус-М2».