Che si tratti del mantello dell'invisibilità di Harry Potter, che dirige perfettamente le onde luminose intorno agli oggetti per renderli invisibili, diventerà mai realtà resta da vedere, ma perfezionare un mantello più cruciale è impossibile, dice un nuovo studio. Avrebbe guidato perfettamente le onde di stress nel terreno, come quelli che emanano da un'esplosione, intorno a oggetti come edifici per renderli "intoccabili".

Nonostante abbia gettato profondi dubbi su dozzine di articoli teorici sull'occultamento "elastodinamico", gli autori del nuovo studio del Georgia Institute of Technology non pensano che gli ingegneri civili dovrebbero rinunciarvi completamente, proprio sull'idea di un mantello ideale. L'occultamento limitato potrebbe ancora aggiungere un grado di protezione alle strutture, in particolare contro alcune onde di stress comuni nei terremoti.

"Con l'occultamento, c'è questa aspettativa che se ricevi qualsiasi tipo di onda di stress da qualsiasi tipo di direzione, un mantello dovrebbe essere in grado di nascondergli l'oggetto. Ora vediamo che non è possibile, " ha detto il ricercatore principale Arash Yavari, un professore alla School of Civil and Environmental Engineering della Georgia Tech e alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Ma per una vasta classe di disturbi, vale a dire i disturbi nel piano, probabilmente potresti disegnare un buon mantello."

In un terremoto, i disturbi nel piano sono onde sismiche che seguono percorsi piatti e ampi, o planari, attraverso la superficie della Terra.

Yavari e il coautore Ashkan Golgoon, un assistente di ricerca laureato che studia con Yavari, hanno pubblicato il loro studio sulla rivista Archivio per la Meccanica Razionale e l'Analisi , una rivista leader sulla meccanica solida teorica, il 16 maggio, 2019. La ricerca è stata finanziata dall'Ufficio di ricerca dell'esercito.

Il mantello dei sogni

Il sogno di occultarsi per guidare le onde di stress oltre una struttura come se non ci fosse ha molto in comune con il sogno di un mantello dell'invisibilità, che piegherebbe la luce, le onde elettromagnetiche, attorno a un oggetto per poi indicarlo dall'altra parte.

Le onde luminose che colpiscono l'occhio dello spettatore rivelerebbero cosa c'è dietro l'oggetto ma non l'oggetto stesso. Nell'occultamento elastodinamico, le onde non sono elettromagnetiche ma meccaniche, muovendosi attraverso il terreno. Ipoteticamente, occultare l'oggetto lo isolerebbe completamente dalle onde.

In uno scenario da proteggere, dire, un reattore nucleare da eventuali onde di stress che viaggiano attraverso il terreno, se da una calamità naturale o provocata dall'uomo, idealmente, gli ingegneri civili potrebbero abbassare la base del reattore in un foro sotto la superficie del terreno. Avrebbero costruito un cilindro protettivo o una ciotola sotterranea semisferica attorno ad esso con materiali speciali per guidare le onde di stress attorno al cerchio.

ci sono sogni, poi ci sono i risultati dello studio.

"Abbiamo dimostrato che la forma del mantello non ha importanza, sia sferico che cilindrico, non puoi nasconderti completamente, "ha detto Yavari.

L'analogia errata

Molta teoria e matematica dall'occultamento elettromagnetico (luce) è stata trasferita alla ricerca sull'occultamento elastodinamico, e alcuni dei primi sembrano aver gettato una chiave nel secondo.

"Molte volte, sono utili analogie da altri campi, ma l'elasticità aggiunge più fattori fisici che non hai nell'elettromagnetismo, " Yavari ha detto. "Per esempio, l'equilibrio del momento angolare viene violato in gran parte della letteratura di ricerca.

Il momento angolare è una proprietà della massa in moto rotatorio, ed è resistente ai cambiamenti. Molte persone hanno sperimentato il momento angolare inclinando un giroscopio rotante e osservandolo muoversi ostinatamente lungo un percorso inaspettato.

Anche se è un'onda, la luce è fotoni, che non hanno massa. Onde di stress, d'altra parte, viaggiare attraverso la materia, in particolare, materia solida rispetto al liquido o al gas, e questo aggiunge all'equazione dinamiche fondamentali del mondo reale.

Quelle dinamiche influenzano anche quel buco che nasconde l'oggetto. Senza esso, le onde di stress viaggiano abbastanza uniformemente attraverso un mezzo, ma con esso, le sollecitazioni si concentrano attorno al foro e scompigliano la geometria ordinata dei motivi ondulati.

Il mantello romano?

Cosa fare? Mantello comunque. Se la soluzione ideale non esiste, farne uno imperfetto.

"La matematica dice che l'occultamento non è possibile in senso stretto. Quando lo capisci, non perdi tempo, " ha detto Yavari. "Si formulano problemi che si ottimizzano con ciò che si conosce intorno a sollecitazioni mirate o carichi da cui si desidera proteggersi".

Gli ingegneri potrebbero proteggersi da importanti sollecitazioni sismiche se utilizzano materiali che sono stati specificamente precompressi, hanno determinate proprietà elastiche e distribuzione delle densità che sono dettagliate nello studio. Un mantello nella vita reale può non essere all'altezza di un ideale ed essere comunque fantastico.

"Se invece del 100 percento dell'energia delle onde sento solo il 10 o il 20 percento, è un grosso problema perché l'ingegneria non è una ricerca di ideali assoluti, "ha detto Yavari.

Anche gli antichi romani, notoriamente matematico-fobico, sembrano aver inavvertitamente costruito mantelli sismici nella loro progettazione di anfiteatri, secondo un rapporto del MIT Technology Review. La loro somiglianza con i moderni dispositivi sperimentali di occultamento potrebbe averli aiutati a preservarli per 2, 000 anni in regioni sismicamente attive.

Il nuovo studio ha anche esaminato un'idea popolare nell'ingegneria civile secondo cui costruire con una famiglia di materiali che hanno una microstruttura che li rende "solidi Cosserat" potrebbe consentire un perfetto occultamento. Gli autori hanno concluso che anche questo non può funzionare. Lo studio non ha considerato i cosiddetti metamateriali, che hanno ricevuto attenzione per il reindirizzamento in particolare delle onde luminose.