Los cuencos para perros plegables, los tubos médicos flexibles y las pajitas para beber parecen funcionar según un principio común, encajando en una variedad de estados mecánicamente estables y útiles. Sin embargo, a pesar de las muchas aplicaciones para tales estructuras de "materia de diseño", los mecanismos fundamentales decómo funcionan hasta ahora ha sido un misterio, dicen los científicos de materiales de la Universidad de Massachusetts Amherst dirigidos por Ryan Hayward.
Ahora, él y sus colegas, incluido el primer autor y ex estudiante de doctorado de Hayward, Nakul Bende, y su colega de la UMass Amherst, el físico teórico Christian Santangelo, con el mecánico James Hanna y los estudiantes de Virginia Tech, informan que han descubierto cómo estas estructuras "multiestables"compuestos de secciones cónicas apiladas se cargan con tensión previa, tensión reprimida que surge "porque el material se fuerza a un anillo cerrado que está más fuertemente curvado de lo que naturalmente quiere ser", como explica Hayward.
"Lo que descubrimos es que la propiedad muy útil de ser mecánicamente estable en una configuración doblada parece requerir tensión previa. Hasta donde sabemos, nadie había visto nunca cómo y por qué tales estructuras tienen estabilidad en la curvaestado ", añade.
Señala: "Nos será útil comprender este principio fundamental, que es clave al diseñar nuevas aplicaciones. Si va a construir un dispositivo reconfigurable, es importante saber por qué funciona y cuándo podríafallar ". Los detalles aparecen en la edición actual en línea de Materia blanda .
Hayward dice que la mecánica que explica la capacidad de los tubos corrugados para extenderse y contraerse en longitud está "bastante bien establecida", al igual que la idea de que mover materiales entre estados mecánicamente estables requiere superar una barrera de energía. Jugar con una variedad detubos flexibles de colores en su escritorio, demuestra que el tubo mantiene su forma en cualquier estado, y que se cruza una barrera de energía cuando entra y sale de cada uno.
"El misterio es por qué este tubo de conos apilados debería ser estable en el estado doblado", señala. "No hay una razón obvia por la que una pajita flexible deba querer ser estable cuando se dobla"
Para experimentar con esto, él y sus colegas cortaron un tubo a lo largo para ver qué pasaba. Al cortar el tubo, dice, "descubrimos que el tubo se abriría y aplanaría, lo cual fue un momento fortuito. Fue algotuvimos que volver atrás y tratar de entender. Esa fue la clave para descubrir el papel del pre-estrés. Descubrimos que cuando se relaja la curvatura, la falta de energía almacenada elimina la estabilidad en el estado doblado. También construimos algunos tubos queforzamos a cerrar en un radio más pequeño, para introducir tensión previa, y descubrimos que esto restauró la capacidad de mantener una forma doblada ".
Analizaron este efecto de "pretensado" a través del análisis de curvatura durante la deformación mediante tomografía computarizada de rayos X y con un modelo mecánico simple que capturó el comportamiento cualitativo de los sistemas altamente reconfigurables.
Los autores señalan que "Se han descubierto muchos mecanismos biológicos que aprovechan las transiciones rápidas entre estados mecánicamente estables de estructuras elásticas delgadas para lograr un movimiento rápido. Si bien gran parte de la literatura se ha centrado en la biestabilidad, los sistemas que admiten múltiples estados estables sonatractivo para el diseño de estructuras altamente reconfigurables ", como las que informan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Massachusetts en Amherst . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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