Круговая циркуляция воды позволила присоске работать на неровной поверхности
Китайские инженеры создали вакуумную присоску, способную работать даже на сильно шероховатой поверхности. В ее центре винт крутится на большой скорости и разгоняет воду, которая скапливается у стенок вакуумной камеры. Вода заполняет небольшие углубления в поверхности и изолирует внутреннюю зону с отрицательным давлением от внешней среды. Статья с описанием принципа работы устройства и экспериментов с ним опубликована в Physics of Fluids.
Как правило, устройства-присоски работают благодаря созданию отрицательного (относительно атмосферного) давления. Они состоят из полости с открытым краем, который контактирует с поверхностью, и из которого тем или иным образом удаляется часть воздуха. Эта схема крайне проста и часто эффективнее более сложных присосок, например, тех, которые работают благодаря силам Ван-дер-Ваальса по аналогии с лапками гекконов. Однако у вакуумных присосок есть ограничение: они хорошо работают с гладкими поверхностями и плохо справляются с шероховатыми.
Дело в том, что шероховатая поверхность состоит из множества небольших выступов и углублений. И несмотря на то, что мягкие край присоски может немного деформироваться и адаптироваться к этим неровностям, между ним и поверхностью все равно остаются пустоты, через которые просачивается воздух. Из-за этого просачивания в случае пассивной присоски разница давлений достаточно быстро исчезает, а в случае присоски с насосом она может сохраняться, но находится на меньшем уровне, чем если бы поверхность была абсолютно гладкой, то есть ее эффективность падает.
Кайгэ Ши (Kaige Shi) и Синь Ли (Xin Li) из Чжэцзянского университета разработали конструкцию присоску, которая работает за счет насоса, создающего разницу давления, но при этом не теряет эффективность даже на сильно шероховатых поверхностях. В целом инженеры применили классическую конструкцию, а их новшество заключается в том, как они решили компенсировать наличие полостей между краем присоски и шероховатой поверхностью.
В центре присоски располагается винт с электромотором, в верхней части расположен насос для откачки воздуха из рабочей зоны, а на краю установлен насос для подачи воды в эту зону. После того, как присоска прислоняется к поверхности, все компоненты начинают работать: насос подает воду в рабочую зону, мотор с винтом разгоняет ее до скорости около 90 оборотов в секунду, при этом заставляя ее скапливаться на краю камеры, а еще один насос откачивает воздух и создает разницу давлений. Эта разница остается высокой благодаря тому, что вода из-за быстрого вращения не попадает в насос для воздуха, но проникает в пустоты между поверхностью и краем присоски, заполняя их. Таким образом, вода в этой схеме герметизирует камеру присоски и почти не дает воздуху попасть внутрь.
Инженеры создали несколько прототипов присосок, в том числе шестиногого робота. На каждой его ноге находится присоска с силой 500 ньютонов. На ролике можно видеть, что робот массой 16,5 килограммов и грузом массой 11,5 килограммов передвигается вверх по вертикальной стене с кафелем и углублениями между плитками.
Кроме того, разработчики создали пару ручных присосок для подъема по отвесным стенам. Они работают таким же образом, но имеют больший размер и оснащены тросом с площадкой для ноги. На ролике можно видеть, как две такие присоски позволяют человеку подниматься вверх по стене.
Параллельно с разработкой новых типов вакуумных присосок идет процесс разработки и коммерциализации присосок, работающих на основе силы Ван-дер-Вальса. Например, в прошлом году компания OnRobo представила серийный промышленный манипулятор с четырьмя захватами, работающими аналогично лапам гекконов.
Григорий Копиев
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.