Figura 1 (a) Fotografia (vista frontale) della configurazione sperimentale. Una pila di n piastre (n =70 qui) è posta su due rulli e caricata da un penetratore ③ che prescrive la deflessione a metà campata. (b) Curve di carico-scarico della forza media del penetratore per piastra F 2 ( w ∘ ) / n per valori selezionati di n . La sottile linea nera corrisponde al classico, previsione non lineare per la flessione a tre punti di una singola piastra, n =1 ([21], Sez. II). (c) Rigidità incrementale normalizzata K / ( n B 1 ) e i suoi massimi K ± m ( simboli ⊳ e ⊲ per il carico e lo scarico, rispettivamente). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.218004 © 2021 American Physical Society
Tutto è iniziato con una lavatrice traballante. Pedro Reis, responsabile del Laboratorio di Strutture Flessibili presso la Scuola di Ingegneria dell'EPFL, arrotolare un pezzo di tessuto e posizionarlo sotto la macchina per impedirne il movimento. Dopo aver visto come funzionava bene il tessuto arrotolato come smorzatore di vibrazioni, ha avuto modo di pensare. Ha parlato con Samuel Poincloux, un postdoc nel suo laboratorio, sulla sua idea e presto si sono resi conto che la fisica dietro un pezzo di materiale arrotolato sottoposto a deformazione è in realtà piuttosto non banale. Hanno deciso di modellare il processo, ma date tutte le diverse variabili coinvolte, hanno deciso di semplificare prima il problema. Invece di usare tessuto arrotolato, hanno iniziato con un oggetto a strati che possedeva una geometria simile:un libro. "Per i nostri esperimenti, abbiamo usato fogli di plastica flessibile che abbiamo accatastato come le pagine di un libro, in modo da poter regolare e misurare le loro proprietà collettive, "dice Poincloux.
Piegare un libro
Gli ingegneri hanno esaminato in particolare due fattori:la quantità di forza necessaria per piegare una pila di fogli, e il modo migliore per misurare l'energia persa per attrito tra coppie di fogli contigui. Per valutare il primo fattore, hanno sviluppato una configurazione sperimentale in grado di piegare i fogli impilati e misurare la quantità di forza richiesta. "Inizialmente pensavamo che la forza necessaria per piegare due fogli fosse semplicemente due volte quella di un foglio, " dice Poincloux. "Ma abbiamo scoperto che quando hai diversi fogli accatastati, l'equazione non è più lineare a causa dell'interazione per attrito tra i fogli. Ciò significa che la resistenza alla deformazione aumenta più velocemente del numero di fogli".
Affrontare l'attrito
Successivamente hanno affrontato la questione dell'attrito. "Sapevamo che l'energia veniva dissipata quando deformavamo i fogli, ma volevamo essere in grado di misurare con precisione e prevedere quanto, " dice Poincloux. Lui e Reis prima hanno provato a usare modelli di computer, ma hanno scoperto che la maggior parte non tiene pienamente conto dell'attrito nelle configurazioni con molte interfacce. "Piegando un libro, o nel nostro caso, pile di fogli di plastica:crea forze di attrito tra i singoli fogli. Che l'attrito non può essere trascurato, " dice Poincloux. "Abbiamo alcuni metodi per misurare la dissipazione per attrito, ma nessun modello matematico esistente che potremmo usare." Gli ingegneri dell'EPFL hanno quindi contattato Basile Audoly, un ricercatore all'École Polytechnique, attingere al suo lavoro nella modellazione di strutture altamente cedevoli. Il team di ricerca è stato infine in grado di prevedere i risultati dei loro esperimenti di laboratorio utilizzando una nuova teoria che incorpora l'effetto dell'attrito. "Il nostro lavoro potrebbe servire come base per descrivere il comportamento di materiali multistrato come il grafene, o anche strati geologici, "dice Poincloux.
Gli ingegneri sperano anche che la loro scoperta possa aiutare i ricercatori a comprendere meglio i meccanismi di assorbimento degli urti e progettare ammortizzatori più efficaci, come materassi e stuoie, con dissipazione di energia sintonizzabile.
