Fraktális szerkezetek az anyagkutatásban

Egy új kutatás szerint minél több hierarchikus (fraktális) szintet alkalmazunk egy tartószerkezet megépítésekor, összességében annál kevesebb anyagra lesz szükség egy adott tömeg támogatásához. 

Fraktális szerkezetek az anyagkutatásban

Egy új kutatás eredményei igazolják, hogy a különféle állványzatok és támasztó szerkezetek tömege jelentősen csökkenthető, ha azok fraktális szerkezetűek, vagyis a kisebb részek felnagyítva ugyanolyan struktúrát mutatnak, mint egy nagyobb elemek.

Az ízületek közelében található szivacsos csontrészek könnyűek, mégis erősek, ami annak köszönhető, hogy szálak és támasztóelemek hálózata nagyon hasonló mintázatot mutat, bármilyen nagyításban is nézzük. A Nottinghami Egyetem kutatói ilyenfajta fraktális szerkezeteket igyekeztek megvalósítani mesterséges alapanyagokból is, és azt vizsgálták, hogy mennyivel csökkenthető így az állványzatok súlya, illetve hogyan lehet optimalizálni ezeket a szerkezeteket.

A tömeg csökkentésének egyik módja a felesleges, a szerkezet erősségéhez és a támasztani kívánt objektum súlyának támogatásához különösebben hozzá nem járuló részek eltávolítása. Egy másik lehetséges megoldás, ha eleve könnyebbé építjük az állványt, fraktálokon alapuló, más néven hierarchikus rendszerben hozva létre azt, mondja Yong Mao, a kutatás vezetője. Ez a fajta gyakorlat elég elterjedtnek számít az építőiparban, elegendő egy pillantást vetni az Eiffel-toronyra, kisebb méretekben való megvalósításához azonban mindeddig nem álltak rendelkezésre a megfelelő eszközök.

A nottinghami szakértők most egy olyan elméleti keretrendszert dolgoztak ki, amely révén lehetővé válik a hierarchikus struktúrák előnyeinek általános felmérése. Ehhez először egy üreges csövet választottak alapként, majd átmérőjét és falvastagságát variálva kikísérletezték, hogyan lehet létrehozni a legkevesebb anyag felhasználásával a legerősebb a csövet (0. generáció). A szerkezet erősségét több dimenzió mentén mérték: nézték, hogy mennyire összenyomható átmérőjének irányában a cső, milyen mértékig lehet íjszerűen meghajlítani (azaz mekkora a kihajlása), illetve vizsgálták az úgynevezett nemlineáris kihajlás mértékét is. Az optimális falvastagságú és átmérőjű üreges székláb a modell alapján alig tizedannyit nyom, mint egy ugyanolyan erős, de tömör láb.

Az elemzés első lépése után egy nagyobb méretű rudat kezdtek vizsgálni, amely a korábbiak során optimalizált kisebb csövek háromszögletű hálózatából épült fel (1. generáció). Egy daru tipikus méreteit és erejét véve alapul, egy ilyen felépítésű acélszerkezet tömege századrésze lenne egy „tömör” daruénak, amilyen persze nem létezik, mivel a darukat többnyire a fraktális felépítésre nagyban hasonlító, nyitott rácsszerkezettel építik meg. „Gyakran meglehetős hatásossággal utánozzuk a fraktális szerkezetet, még ha nem is tudunk róla” ‒ mondja Mao.

A számítások alapján minél több hierarchikus szintet alkalmazunk egy tartószerkezet megépítésekor, összességében annál kevesebb anyagra lesz szükség egy adott tömeg támogatásához. Egy harmadik generációs acélszerkezet tömege mindössze tízezred részét teszi ki egy ugyanolyan teherbírású tömör acélrúd tömegének, és így tovább. Kisebb méretekben persze a súlycsökkenés is apróbb lesz: a már említett szivacsos csontszerkezet például mindössze 10 százalékos tömegcsökkenést eredményez, de úgy tűnik, hogy bizonyos esetekben ennyi is lényeges, hiszen az evolúció valamiért ezt a szerkezetet preferálta, mondja Mao.

Ahhoz persze, hogy a több generációból felépülő szerkezetek széles körben hasznosíthatók legyenek, az kell, hogy amit anyagköltségen megspórolunk, az nem menjen rá a sokkal bonyolultabb gyártási folyamatra. A hierarchikus szerkezetek másik problémája, hogy sokkal érzékenyebbek a mechanikai tökéletlenségekre, mivel nincs a struktúrában olyan felesleges anyag, amely átvehetné az esetlegesen hibás részek terheit. A kutatócsoport jelenleg azon dolgozik, hogy valamennyi gyártási hibát vagy üzembe helyezés utáni sérülést azért tolerálni tudjon a rendszer.

A kutatás nagyon fontos kérdéseket vet fel, hiszen napjainkban óriási az igény a könnyű súlyú, több célra felhasználható anyagok fejlesztésére , mondta el Ashkan Vaziri bostoni kutató. Véleménye szerint a mostani eredményeknek nagy jelentőségük lehet az eljövendő repülőipari fejlesztésekben, és abban is, hogy megértsük a sejt alapú biológiai rendszerek működését, ahol a hierarchikus felépítés az egyik legfontosabb tényezőnek tekinthető.

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward