Фракталы образуют сверхпрочный материал

26.12.2012

Фракталы образуют сверхпрочный материал

Сегодня для строительства высотных зданий мы используем стальной каркас, который обеспечивает конструкции устойчивость.

Вместе с тем такую модель в ряде случаев можно назвать непрактичной: вес здания сильно увеличивается, да и затраты немалые. Специалисты из Университета Ноттингема в Великобритании разработали революционную технологию с использованием 3D-печати, которая позволяет свести расход металла к минимуму, увеличить прочность сверх-облегчённого каркаса в 10 000 раз!

Фракталы образуют сверхпрочный материал

Группа учёных во главе с Йонгом Мао (Yong Mao) обнаружила, что для создания строительных материалов нового поколения могут быть использованы фрактальные структуры. Причём оптимальный иерархический порядок структуры будет изменяться в зависимости от нагрузки и предполагаемых функций. Инновационный процесс предполагает репликацию фракталов в форме тетраэдра. Форма пирамиды с одинаковыми треугольными гранями была выбрана не случайно: просчет многоугольников с большим количеством углов является значительно более сложной задачей.

Фракталы образуют сверхпрочный материал

Напомним, что фрактал – это геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия (состоит из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком). Такие структуры лежат в основе живой и неживой природы: в листьях папоротника и кровеносных сосудах, в снежинках и раковинах моллюсков, в руслах рек и структуре галактических скоплений. Ещё одним ярким примером может служить всемирно известная Эйфелева башня - часть её конструкции создана по принципу фрактала.

Фракталы образуют сверхпрочный материал

Используя 3D-принтер, учёные воссоздали экспериментальную структуру из полимерной смолы - простую полую балку, которую назвали «элементом нулевого поколения». Теоретически для резины должны наблюдаться те же закономерности, что и для стали – поэтому специалисты погрузились в процесс тестирования разработки. Как выяснилось, «фрактальная» балка не очень надёжна по части высокой нагрузки, - так что учёные, используя сложное программное обеспечение, принялись анализировать недостатки фрактальной структуры и вносить поправки. «Первое» и «второе поколение» всё ещё демонстрировали некоторые недостатки, однако форма «третьего поколения» оказалась в 10 000 раз прочнее стали!

Фракталы образуют сверхпрочный материал

Согласно опубликованному в журнале «Physical Review Letters» отчёту британцев, фракталоподобные несущие конструкции смогут выдерживать ту же нагрузку, что и обычные - но при радикально меньшем весе. Эта технология может найти применение как в строительстве небоскрёбов, авиации и автомобилестроении, так и в изготовлении мебели или других предметов быта. Открытие открывает перед нами множество возможностей, но таит в себе и опасность: насколько прочна правильно рассчитанная конструкция, настолько же она и уязвима в случае небольшой ошибки в проектировании или при изготовлении. Это означает, что если в крупной структуре окажется мелкий дефект, вся конструкция рискует разрушиться, в то время как при использовании менее экономных технологий самый худший сценарий – всего лишь локальная поломка, которую можно ликвидировать.

Фракталы образуют сверхпрочный материал

В связи с этим использование фрактальных структур пока что требует строжайшего контроля качества, и на сегодняшнем этапе разработку не целесообразно широко внедрять в производство. Однако исследователи продолжают трудиться над улучшением качества и убеждены, что в течение следующего года им удастся разработать коммерческие методы оценки фракталов, а так же предоставить строителям гарантии на свою разработку. В будущем продвинутая версия 3D-печати позволит всем желающим создавать подобные структуры, просто скачав необходимый макет.

Источник

Предметный указатель: