Пережить удар: оригами позволит смягчать посадку космических кораблей

Инженеры испытали необычный материал, который на удар отвечает не сжатием, а растяжением. Такое изобретение поможет космической технике при посадке и автомобилистам в случае аварии, а также пригодится в других ситуациях, когда нужно смягчить толчок.

Разработчики рассчитали свойства нужного материала и испытали его прототип, правда, пока из бумаги. (С другой стороны, устройства из бумаги порой показывают весьма впечатляющий результат).

Результаты расчётов и экспериментов описаны в научной статье, опубликованной в журнале Science Advances группой во главе с Цзинькьюем Яном (Jinkyu Yang) из Вашингтонского университета.

"Удары — это проблема, с которой мы сталкиваемся ежедневно, и наша система предоставляет совершенно новый подход к компенсации её последствий. Например, мы хотели бы использовать его, чтобы помочь как людям, так и автомобилям легче переживать автомобильные аварии", – говорит Ян.

В самом деле, часто встречаются ситуации, когда нужно защитить нечто хрупкое от повреждения при ударе. Есть несколько подходов к решению жтой задачи.

Например, можно сделать одноразовую броню, которая поглотит силу удара и разрушится. Так шлем мотоциклиста при падении на асфальт должен расколоться, чтобы не раскололась голова. Понятно, что такой метод непригоден для многоразовых конструкций.

В некоторых случаях, в том числе при создании автомобилей, инженеры используют упругие элементы, такие как рессоры или пружины. Получив толчок, такая деталь сжимается и распрямляется. Однако по-настоящему сильный удар таким способом смягчить не получится: даже у самой лучшей пружины есть предел упругости.

Группа Яна применила иной подход. Физики придумали материал, в котором при ударе возникает две волны, гасящие друг друга.

В таком материале при толчке возникает не только обычная волна сжатия. Рождается также одиночный импульс растяжения, который обгоняет волну сжатия. До границы брони, за которой находится хрупкая электроника или чья-то не менее хрупкая голова, первым докатывается именно растяжение. Эта волна отражается от границы, идёт назад и встречает волну сжатия на полпути, погашая её.

"Если бы вы носили шлем для регби, сделанный из этого материала, и что-то попало бы в шлем, вы бы никогда не почувствовали такого удара по голове. К тому времени, когда энергия достигает вас, это уже не толчок. Это растяжение [материала]", – рассказывает Ян.

Такого парадоксального эффекта можно достичь за счёт метаматериала, состоящего из повторяющихся блоков особой конструкции.

"Метаматериалы похожи на конструктор "Лего". Вы можете создавать структуры любых типов, используя однотипные строительные блоки или элементарные ячейки, как мы их называем, – объясняет Ян. – В зависимости от того как вы проектируете свою элементарную ячейку, вы можете создать материал с [различными] уникальными механическими свойствами, беспрецедентными по своей природе".

Конструкцию строительных блоков исследователям подсказало японское искусство оригами (складывания фигур из бумаги без разрезания и склеивания).

"Оригами отлично подходит для реализации элементарной ячейки, – говорит соавтор работы Ясухиро Миядзава (Yasuhiro Miyazawa), также из Вашингтонского университета. – Изменяя [места], где мы создаём складки на плоском материале, мы можем конструировать материалы, которые проявляют разную степень жёсткости, когда они складываются и [когда] разворачиваются".

Исследователи сделали элементарную ячейку так, чтобы она неохотно сжималась, но куда сноровистее растягивалась.

Если составить из таких ячеек цепь и отвесить пинка одному из её концов, то другого конца животворящий импульс не достигнет. Да, сначала появится волна сжатия. Но как только первые звенья распрямятся, возвращаясь в исходное положение, они потянут за собой следующие звенья, а те – следующие уже за ними. Как мы помним, ячейка устроена так, чтобы растяжение распространялось быстрее сжатия. В итоге волна растяжения обгонит породившую её волну сжатия и нейтрализует её.

Авторы начали с расчётов, а затем создали действующую модель из бумаги. Они изготовили двадцать элементарных ячеек. Каждая из них была сложена по перфорации, предварительно сделанной лазером. В сложенном состоянии такие блоки несколько напоминали цилиндры. На каждое основание такого "цилиндра" наклеивался акриловый ободок. Ободки соседних ячеек скреплялись между собой. Так образовалась длинная цепь.

Один её конец подключили к устройству, регулярно толкавшему крайнее звено. Шесть скоростных камер фиксировали деформацию звеньев.

Как и ожидали исследователи, волна сжатия зарождалась, но никогда не достигала другого конца цепи. Её обгоняла и уничтожала самой ею порождённая волна растяжения. Вторая могла бы сказать первой, перефразируя классика: "Ты меня породил, а я тебя и убью".

Как отмечают авторы, подобная система смягчения удара практически не повреждает защитную конструкцию и может быть использована многократно.

Теперь физики собираются перейти от бумажных моделей к рабочим образцам.

"Прямо сейчас эта [конструкция] сделана из бумаги, но мы планируем сделать её из композитного материала. В идеале мы могли бы оптимизировать материал для каждого конкретного применения", – делится планами Ян.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о метаматериале, который поглощает звук, не препятствуя вентиляции, а также о другом, обманывающем инфракрасные камеры.

Рассказывали мы также и о технологиях, вдохновлённых оригами, например, о сверхпрочных бумажных конструкциях и роботах.