" " L'armatura antica ha molto in comune con l'armatura moderna. Entrambi forniscono protezione contro le armi ma sono pesanti, ingombrante e inflessibile.
L'idea alla base dell'armatura non è cambiata molto negli ultimi mille anni. Primo, l'armatura impedisce ad armi o proiettili di raggiungere il corpo di una persona. Secondo, diffonde l'energia dell'arma in modo che l'impatto finale causi meno danni. Anche se non è efficace in ogni situazione, l'armatura può generalmente aiutare a proteggere le persone da lesioni gravi o morte, specialmente contro le armi giuste.
Negli anni, le persone hanno dovuto sviluppare armature più forti e più avanzate per proteggersi da armi sempre più sofisticate. Però, nonostante questi miglioramenti, l'armatura moderna presenta ancora alcune delle stesse carenze delle antiche forme di armatura. Che si tratti di lastre di metallo o strati di tessuto, l'armatura è spesso pesante e ingombrante. Molti tipi sono rigidi, quindi sono poco pratici per l'uso sulle braccia, gambe e collo. Per questa ragione, le armature medievali avevano spazi vuoti e giunture per consentire alle persone di muoversi, e l'armatura usata oggi spesso protegge solo la testa e il busto.
Uno dei più recenti tipi di armatura, anche se, è sia flessibile che leggero. Abbastanza stranamente, questo miglioramento deriva dall'aggiunta di liquido ai materiali per armature esistenti. Anche se non è del tutto pronto per il combattimento, ricerche di laboratorio suggeriscono che l'armatura liquida ha il potenziale per essere un buon sostituto o supplemento per i giubbotti più ingombranti. Infine, soldati, agenti di polizia e altri potrebbero essere in grado di usarlo per proteggere braccia e gambe.
I due tipi principali di giubbotti antiproiettile attualmente in fase di sviluppo iniziano entrambi con una base di DuPont Kevlar , comunemente usato nei giubbotti antiproiettile. Quando un proiettile o una scheggia colpisce un giubbotto di Kevlar, gli strati di materiale diffondono l'impatto su un'ampia superficie. Il proiettile allunga anche le fibre di Kevlar, spendendo energia e rallentando nel processo. Il concetto è simile a quello che accade quando un airbag per auto diffonde l'impatto e rallenta il movimento del busto di una persona durante una collisione.
Sebbene il Kevlar sia un tessuto, L'armatura in kevlar non si muove o si drappeggia come fanno i vestiti. Ci vogliono dai 20 ai 40 strati di Kevlar per fermare un proiettile, e questa pila di strati è relativamente rigida. È anche pesante:un gilet da solo spesso pesa più di 10 libbre (4,5 chilogrammi), anche senza inserti in ceramica per una protezione aggiuntiva.
Due fluidi diversi, però, può consentire all'armatura di Kevlar di utilizzare molti meno strati, rendendolo più leggero e flessibile. Entrambi hanno una cosa in comune:reagiscono con forza in risposta a uno stimolo. Prossimo, vedremo di cosa sono fatti questi liquidi e perché reagiscono in quel modo.
Fluido ispessente da taglio " " Fluido ispessente da taglio utilizzato per l'armatura liquida Foto di sergente. Lorie Jewell/ per gentile concessione dell'esercito degli Stati Uniti
Il termine "armatura liquida" può essere un po' fuorviante. Per alcune persone, richiama l'idea di un fluido in movimento racchiuso tra due strati di materiale solido. Però, entrambi i tipi di armatura liquida in fase di sviluppo funzionano senza uno strato liquido visibile. Anziché, usano Kevlar che è stato immerso in uno dei due fluidi.
Il primo è un fluido ispessente da taglio (STF) , che si comporta come un solido quando incontra uno stress meccanico o taglio . In altre parole, si muove come un liquido finché un oggetto non lo colpisce o lo agita con forza. Quindi, si indurisce in pochi millisecondi. Questo è l'opposto di a fluido dimagrante , come vernice, che diventa più sottile quando è agitato o scosso.
Puoi vedere come appare il fluido ispessente esaminando una soluzione di parti quasi uguali di amido di mais e acqua. Se lo mescoli lentamente, la sostanza si muove come un liquido. Ma se lo colpisci, la sua superficie si solidifica bruscamente. Puoi anche modellarlo in una palla, ma quando smetti di fare pressione, la palla cade a pezzi.
Ecco come funziona il processo. Il fluido è a colloide , costituito da minuscole particelle sospese in un liquido. Le particelle si respingono leggermente, così galleggiano facilmente nel liquido senza aggregarsi o depositarsi sul fondo. Ma l'energia di un impatto improvviso travolge le forze repulsive tra le particelle:si attaccano insieme, formare masse chiamate idrocluster . Quando l'energia dell'impatto si dissipa, le particelle ricominciano a respingersi. Gli idrocluster cadono a pezzi, e la sostanza apparentemente solida ritorna allo stato liquido.
" " Prima dell'impatto, le particelle nel fluido ispessente da taglio sono in uno stato di equilibrio. Dopo l'impatto, si uniscono, formare strutture solide.
Il fluido utilizzato nell'armatura è fatto di silice particelle sospese in glicole polietilenico . La silice è un componente della sabbia e del quarzo, e il polietilenglicole è un polimero comunemente usato nei lassativi e nei lubrificanti. Le particelle di silice hanno un diametro di pochi nanometri, tanti rapporti descrivono questo fluido come una forma di nanotecnologia.
Per creare un'armatura liquida usando un fluido ispessente da taglio, i ricercatori prima diluiscono il fluido in etanolo. Saturano il Kevlar con il fluido diluito e lo mettono in un forno per far evaporare l'etanolo. L'STF permea quindi il Kevlar, e i fili di Kevlar trattengono il fluido pieno di particelle in posizione. Quando un oggetto colpisce o trafigge il Kevlar, il fluido si indurisce immediatamente, rendendo il Kevlar più forte. Il processo di indurimento avviene in pochi millisecondi, e l'armatura diventa di nuovo flessibile in seguito.
Nei test di laboratorio, Il Kevlar trattato con STF è flessibile quanto semplice, o pulito, Kevlar. La differenza è che è più forte, quindi l'armatura che utilizza STF richiede meno strati di materiale. Quattro strati di Kevlar trattato con STF possono dissipare la stessa quantità di energia di 14 strati di Kevlar puro. Inoltre, Le fibre trattate con STF non si allungano all'impatto come le fibre normali, il che significa che i proiettili non penetrano così profondamente nell'armatura o nel tessuto sottostante di una persona. I ricercatori teorizzano che ciò sia dovuto al fatto che il proiettile richiede più energia per allungare le fibre trattate con STF.
" " Kevlar trattato dopo l'impatto di un proiettile Foto per gentile concessione del sergente/fotografo dell'esercito americano Lorie Jewell
La ricerca sull'armatura liquida a base di STF è in corso presso il Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e l'Università del Delaware. Ricercatori del MIT, d'altra parte, stanno esaminando un fluido diverso per l'uso in giubbotti antiproiettile. Vedremo la loro ricerca in seguito.
La lama lenta penetra nello scudo L'armatura basata su STF ha paralleli nel mondo della fantascienza. Nell'universo di "Dune," di Frank Herbert " un dispositivo chiamato generatore di Holtzman può produrre uno scudo protettivo. Solo gli oggetti che si muovono a bassa velocità possono penetrare in questo scudo. Allo stesso modo, gli oggetti che si muovono lentamente affonderanno attraverso il fluido ispessente da taglio senza che si indurisca. A bassa velocità, o quasistatico , test di coltello, un coltello può penetrare sia in Kevlar puro che in Kevlar trattato con STF. Però, il Kevlar trattato con STF subisce un danno leggermente inferiore, forse perché il fluido fa aderire le fibre tra loro.
Fluido Magnetoreologico " " Quando esposto a un campo magnetico, le particelle nel fluido magnetoreologico si allineano lungo le linee di campo.
L'altro fluido che può rinforzare l'armatura in Kevlar è fluido magnetoreologico (MR) . I fluidi RM sono oli che sono pieni di ferro da stiro particelle. Spesso, i tensioattivi circondano le particelle per proteggerle e aiutarle a mantenerle sospese all'interno del fluido. Tipicamente, le particelle di ferro costituiscono tra il 20 e il 40 percento del volume del fluido.
Le particelle sono minuscole, misura tra 3 e 10 micron. Però, hanno un potente effetto sulla consistenza del fluido. Quando esposto a un campo magnetico, le particelle si allineano, ispessendo drasticamente il fluido. Il termine "magnetoreologico" deriva da questo effetto. La reologia è una branca della meccanica che si concentra sulla relazione tra la forza e il modo in cui un materiale cambia forma. La forza del magnetismo può modificare sia la forma che la viscosità dei fluidi RM.
Il processo di indurimento dura circa venti millesimi di secondo. L'effetto può variare notevolmente a seconda della composizione del fluido e delle dimensioni, forma e forza del campo magnetico. Per esempio, I ricercatori del MIT hanno iniziato con particelle di ferro sferiche, che possono scivolare l'uno sull'altro, anche in presenza di campo magnetico. Questo limita quanto può diventare dura l'armatura, quindi i ricercatori stanno studiando altre forme di particelle che potrebbero essere più efficaci.
Come con STF, puoi vedere come appaiono i fluidi RM usando oggetti ordinari. La limatura di ferro mescolata con olio crea una buona rappresentazione. Quando non è presente alcun campo magnetico, il fluido si muove facilmente. Ma l'influenza di un magnete può far sì che il fluido diventi più denso o prenda una forma diversa da quella del suo contenitore. Qualche volta, la differenza è molto visivamente drammatica, con il fluido che forma picchi distintivi, trogoli e altre forme. Gli artisti hanno persino utilizzato magneti e fluidi RM o ferrofluidi simili per creare opere d'arte.
Con la giusta combinazione di densità, forma delle particelle e intensità di campo, Il fluido RM può cambiare da liquido a solido molto denso. Come con il fluido ispessente da taglio, questo cambiamento potrebbe aumentare drasticamente la forza di un pezzo di armatura. Il trucco sta nell'attivare il cambiamento di stato del fluido. Poiché i magneti abbastanza grandi da influenzare un'intera tuta sarebbero pesanti e poco pratici da portare in giro, i ricercatori propongono di creare piccoli circuiti che attraversano l'armatura.
" " Fluido magnetoreologico prima e dopo l'esposizione a un campo magnetico
Senza che la corrente fluisca attraverso i fili, l'armatura rimarrebbe morbida e flessibile. Ma alla rotazione dell'interruttore, gli elettroni inizierebbero a muoversi attraverso i circuiti, creando un campo magnetico nel processo. Questo campo farebbe irrigidire e indurire l'armatura all'istante. Riportare l'interruttore in posizione off fermerebbe la corrente, e l'armatura sarebbe diventata di nuovo flessibile.
Oltre a rendere più forte, accendino, armatura più flessibile, i tessuti trattati con fluidi ispessenti al taglio e magnetoreologici potrebbero avere anche altri usi. Per esempio, tali materiali potrebbero creare coperte bomba facili da piegare e trasportare e possono ancora proteggere gli astanti da esplosioni e schegge. Gli stivali da salto trattati potrebbero indurirsi all'impatto o quando vengono attivati, proteggere gli stivali dei paracadutisti. Le uniformi delle guardie carcerarie potrebbero fare ampio uso della tecnologia delle armature liquide, soprattutto perché è più probabile che le guardie armate incontrino oggetti contundenti e lame fatte in casa.
Però, le tecnologie hanno alcuni pro e contro. Ecco una carrellata:
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Nessun tipo di armatura è abbastanza pronto per l'uso sul campo di battaglia. L'armatura in Kevlar trattata con STF potrebbe essere disponibile entro la fine del 2007 [Fonte:Business Week]. Il fluido MR può richiedere altri 5-10 anni di sviluppo prima che possa fermare costantemente i proiettili. [Fonte:Science Central]. Controlla i collegamenti nella pagina successiva per saperne di più sulla tecnologia militare, armatura e argomenti correlati.
Altri usi per fluidi RM I fluidi RM hanno numerosi usi oltre a rafforzare l'armatura. La loro capacità di passare da liquidi a semisolidi quasi istantaneamente li rende utili per smorzare urti e vibrazioni in oggetti come:
Ammortizzatori per auto
Lavatrici
Arti protesici
ponti
Poiché può cambiare forma istantaneamente e in modo reversibile, può essere utilizzato anche per creare display Braille a scorrimento o stampi riconfigurabili.
Per saperne di più
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Altri ottimi link UGA HyperPhysics
Fluido Magnetoreologico
Università del Delaware:tessuto fluido che ispessisce il taglio
MIT:Laboratorio di microfluidi di Hatsopoulos
Laboratorio di ricerca dell'esercito americano
Fonti
Baard, Erika. "Goop dell'era spaziale si trasforma tra liquido e solido". Space.com. 9/5/2001 (26/01/2007). http://www.space.com/businesstechnology/technology/ mr_materials_010905-1.html
"Armatura adatta per un supereroe". Settimana di lavoro. 8/7/2006 (1/26/2007). http://www.businessweek.com/magazine/content/06_32/b3996068.htm
Gladek, Eva. "Armatura liquida". Notizie Scientifiche. 15/06/2006 (26/01/2007). http://www.sciencentral.com/articles/view.php3?type=article &article_id=218392807
Johnson, Tonya. "Scienziati dell'esercito, Gli ingegneri sviluppano l'armatura liquida." Military.com. 21/04/2004 (26/1/2007). http://www.military.com/NewsContent/0, 13319, usa3_042104.00.html
Johnson, Tonya. "Scienziati e ingegneri ARL sviluppano armature liquide basate sulla nanotecnologia". Redcom Magazine. 2/2004. (26/1/2007) http://www.rdecom.army.mil/rdemagazine/200402/itl_arl_liquidarmor.html
Lee, Y.S. et al. "Armatura avanzata che utilizza fluidi ispessenti al taglio". (27/01/2007) http://www.che.udel.edu/research_groups/wagner/website/awards_files/ ADVANCED%20BODY%20ARMOR%20UTILIZING%20SHEAR%20THICKENING%20FLUIDS-Army%20conference%202002.pdf
LORD Corporation. "Applicazioni". (26/01/2007). http://www.lord.com/tabid/3358/Default.aspx
Amore, Lonnie J. "Ferrofluido". AccessScience @ McGraw-Hill. Ultima modifica 27/10/2006. (27/01/2007)
Lurie, Karen. "Armatura istantanea". Notizie Scientifiche. 04/12/2003 (27/01/2007) http://www.sciencentral.com/articles/view.php3? articolo_id=218392121&language=italiano
Markovitz, Hershel. "Reologia". AccessScience @ McGraw-Hill. Ultima modifica 26/08/2005. (27/01/2007)
Università del Delaware. "Fluido ispessente da taglio". (27/01/2007) http://www.ccm.udel.edu/STF/pubs1.html
Weist, John M. "fluido non newtoniano, " in AccessScience @ Mcgraw-Hill. Ultima modifica 8/25/2005. (1/27/2007)
Wetzel, Eric D. et al. "Armatura avanzata che utilizza fluidi ispessenti al taglio". 12/3/2002. (26/01/2007). http://www.ccm.udel.edu/STF/PubLinks2/AdvancedBodyArmor_Pres.pdf
Wetzel, Eric D. et al. "Tessuti protettivi che utilizzano fluidi ispessenti al taglio". 27/10/2004. (26/1/2007) http://www.ccm.udel.edu/STF/PubLinks2/ProtectiveFabrics UtilizingSTF_Pres.pdf