Erklärung der Mechanik eines Vogelnests

&Patrone; Physik 15, 72

Experimente und Simulationen erklären die ungewöhnliche Art der Federung der Struktur.

Natasha/stock.adobe.com

Naturingenieurwesen. Zusammenhalt und Flexibilität erreicht das Vogelnest durch die Verflechtung biegsamer Stäbe im Reibschluss.

Ein Vogelnest ist ein Wunder der Naturtechnik: ein ungeordnetes Bündel flexibler Stäbe, die in ein leichtes und federndes, aber dennoch zusammenhängendes Material eingewebt sind. Ein Forscherteam hat nun mithilfe von Röntgenbildern und Computersimulationen erklärt, wie eine nestartige Ansammlung kurzer Stäbchen zu ihrer ungewöhnlichen Reaktion auf mechanische Belastungen kommt [1]. Sie fanden heraus, dass die Reibung zwischen den Strängen und die Verteilung der Kontaktpunkte der Stränge eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften eines Nestes spielen. Ein besseres Verständnis dieser Faktoren könnte die Bemühungen unterstützen, nestartige Packungen von Stäben in der Architektur zu verwenden.

Eine Vogelneststruktur ist eine Art körniges Material, auf halbem Weg zwischen einer zufälligen Ansammlung kompakter Körner wie Reis und einem Gewirr aus steifen Fasern wie Haaren. Körnige Medien, die aus sehr kurzen, stäbchenartigen Partikeln hergestellt sind, wurden früher untersucht, aber weniger Aufmerksamkeit wurde Stäben geschenkt, die lang genug sind, um sich zu biegen und miteinander verwoben zu werden, mit Verhältnissen von Länge zu Breite (Seitenverhältnis) von mehreren zehn [2, 3].

Zuvor haben Mattia Gazzola von der University of Illinois in Urbana-Champaign, Hunter King von der University of Akron, Ohio, und ihre Mitarbeiter die mechanischen Eigenschaften von zufälligen Packungen aus kurzen Bambusstäben untersucht, die in einen transparenten Kunststoffzylinder gegossen und mit Hilfe von komprimiert wurden kolbenartige Deckplatte [4].

Das Nest drücken. Die Forscher untersuchten das mechanische Verhalten von zufälligen Packungen kurzer Bambusstäbe, die in einem Behälter eingeschlossen waren, als sie von einem Kolben zusammengedrückt wurden (links). Das Team verglich die experimentellen Ergebnisse mit Computersimulationen desselben Systems (rechts).Das Nest drücken. Die Forscher untersuchten das mechanische Verhalten von zufälligen Packungen kurzer Bambusstäbe, die in einem Behälter eingeschlossen waren, als sie von einem Kolben zusammengedrückt wurden (links). Das Team verglich die experimentellen Ergebnisse mit Computersimulationen der… Zeig mehr

Sie fanden heraus, dass dieses Gestänge wieder mehr oder weniger auf sein ursprüngliches Volumen zurückfedert, wenn der Druck auf die Platte nachlässt. Dies geschieht jedoch auf nichtlineare Weise – die Verformung (Dehnung) ist nicht einfach proportional zur aufgebrachten Spannung. Und es gibt eine Hysterese – die Spannungs-Dehnungs-Kurve für die Kompression stimmt nicht mit der während der Entlastung überein. Die beiden Kurven beginnen und enden an denselben Stellen, nehmen aber unterschiedliche Wege, wodurch eine Schleife entsteht. Ein solches Verhalten wurde auch bei der Verdichtung von kugelförmigen Partikeln mit niedrigem Seitenverhältnis beobachtet [5].

Die Hystereseschleife impliziert, dass während der Kompression Energie nicht einfach durch elastisches Biegen der Stäbe gespeichert wird: Ein Teil geht als Reibungswärme verloren, wenn die Stäbe übereinander gleiten, wobei die Menge proportional zu der von der Schleife eingeschlossenen Fläche ist. Dasselbe qualitative Verhalten sahen die Forscher in Computersimulationen.

Um dieses Verhalten besser zu verstehen, haben Gazzola und Kollegen nun computergestützte Röntgentomographie verwendet, um 3D-Karten der Kontaktpunkte zwischen den Stäben (die 76 mm lang sind und ein Seitenverhältnis von 31 haben) zu erstellen. Das Team konnte verfolgen, wie sich diese Kontaktkarten während der Quetsch- und Freigabezyklen veränderten.

Die Daten zeigten, dass mit zunehmender Kompression die Anzahl der Kontakte entlang jeder Stange zunimmt. Diese Kontakte schränken das Biegen ein, sodass die Stäbe bei zunehmender Kompression steifer werden. Diese Beobachtung erklärt die Nichtlinearität der Spannungs-Dehnungs-Kurven. Das Team beobachtete auch das Gleiten und Reiben von Kontakten entlang der Stäbe. Es besteht eine Asymmetrie zwischen dem Gleiten während des Komprimierens und dem während des Lösens, da die statische Reibung überwunden werden muss, bevor sich ein Kontakt bewegen kann: Der Kontaktpunkt wird jederzeit durch Reibung außerhalb seines stabilsten Zustands festgehalten. Diese Asymmetrie erklärt die Hystereseschleife.

Einige Architekten fangen an, geometrisch verschlungene nestartige Strukturen zu verwenden [6], und King hofft, dass „das Anbieten einer Erklärung für den Ursprung der einfachsten mechanischen Reaktionen ein erster Schritt in Richtung der Einstellbarkeit der Steifheit, Formbarkeit oder Zähigkeit solcher Strukturen sein wird“. Er vermutet, dass „es ein enormes Potenzial für die Abstimmung der Materialeigenschaften von Aggregaten gibt, indem einfache Details der Elemente variiert werden“.

Seth Fraden, ein Physiker für weiche Materie an der Brandeis University in Massachusetts, sagt, dass in Vogelnestern „eindeutig wichtige technische Prinzipien im Spiel sind, und es obliegt uns, sie zu verstehen“. Die neue Arbeit, sagt er, „ist ein wichtiger erster Schritt“ in Richtung dieses Ziels. Er lobt die Experimente und Simulationen, stellt aber fest, dass echte Nester nicht durch einen Behälter begrenzt sind, sodass die direkte Relevanz dieser Experimente für die Natur unklar ist. Heinrich Jaeger von der University of Chicago, ein Spezialist für körnige Medien, stimmt dem zu und fügt hinzu, dass die geringe Größe der Struktur bedeutet, dass das Verhalten möglicherweise stark durch Wechselwirkungen zwischen den Stäben und den Behälterwänden beeinflusst wurde.

King stimmt zu, dass die Wände einen Effekt haben, aber das Team bewertet derzeit, wie sich die Eigenschaften der Struktur mit der Größe ändern, und hofft, sie schließlich auf ein „unendliches Nest“ extrapolieren zu können, das frei von Grenzeffekten ist. Er fügt hinzu, dass es abzuwarten bleibt, was eine Struktur wie diese selbsttragend macht. Vielleicht hängt es von den Details des Packvorgangs ab, sagt er: Nestbauvögel „sind dafür bekannt, Stöcke zu biegen und einzustecken, die aus den Rändern eines im Bau befindlichen Nestes herausragen, [which] könnte durchaus zu einer selbsttragenden Struktur führen.“

– Philipp Ball

Philip Ball ist ein freiberuflicher Wissenschaftsautor in London. Sein neustes Buch ist Die modernen Mythen (University of Chicago Press, 2021).

Verweise

  1. Y. Bhosale et al.„Mikromechanischer Ursprung von Plastizität und Hysterese in nestartigen Packungen“, Phys. Rev. Lette. 128198003 (2022).
  2. M. Trepanier und SV Franklin, „Column Column of Granular Rods“, Phys. Rev. E 82011308 (2010).
  3. V. Yadav et al.„Einfluss des Aspektverhältnisses auf die Ordnungsentwicklung in vibrierten körnigen Stäbchen“, Phys. Rev. E 88052203 (2013).
  4. N. Weiner et al.„Mechanik zufällig gepackter Filamente – Das „Vogelnest“ als Metamaterial“, J.Appl. Phys. 127050902 (2020).
  5. P. Parafiniuk et al.„Einfluss des Aspektverhältnisses auf das mechanische Verhalten von Sphäroidpackungen“, Physika A 5011 (2018).
  6. K. Dierichs und A. Menges, „Auf dem Weg zu einer Aggregatarchitektur: Entworfene granulare Systeme als programmierbare Materie in der Architektur“, Granulat. Angelegenheit 1825 (2016).

Themenbereiche

Zum Thema passende Artikel

Spinnen in der Luft treiben auf mehreren Seidenfäden
Wellen in einem Solid imitieren verdrehtes Licht
Nichtlineare Dynamik

Wellen in einem Solid imitieren verdrehtes Licht

Vibrationswellen, die sich durch die Wände eines Rohrs bewegen, können einen Bahndrehimpuls tragen, der laut neuen theoretischen Arbeiten für verschiedene Zwecke verwendet werden könnte. Weiterlesen “

Hohlstäbe unter Hochdruck biegen

Weitere Artikel

Leave a Comment

Your email address will not be published.