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来自研究机构

理想的压力波“隐形”斗篷的梦想破灭了

日期:
2019年6月7日
来源:
佐治亚理工学院
简介:
有些人梦想有一种完美的斗篷,使建筑物不受炸弹、地震或其他灾难造成的应力波的影响。抱歉,研究人员正在粉碎这个梦想。但还是有希望的。他们还表示,有可能制造出不完美的、真实的斗篷,通过增加对一些常见地震波的显著部分保护,实际上会有所帮助。
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完整的故事

一项新的研究表明,哈利波特的隐形斗篷能否成为现实还有待观察,但更关键的斗篷是不可能完善的。哈利波特的隐形斗篷可以完美地引导物体周围的光波,使其隐形。它可以完美地引导地面上的应力波,就像爆炸产生的应力波一样,绕过建筑物等物体,使它们“无法触及”。

尽管对几十篇关于“弹性动力”斗篷的理论论文提出了深深的质疑,但来自佐治亚理工学院的这项新研究的作者认为,土木工程师不应该完全放弃它,而只是放弃理想斗篷的想法。有限的斗篷仍然可以为建筑物增加一定程度的保护,特别是在地震中常见的一些应力波。

“有了隐身技术,人们期望如果你从任何方向受到任何压力波,斗篷应该能够将物体隐藏起来。我们现在看到这是不可能的,”首席研究员Arash Yavari说,他是佐治亚理工学院土木与环境工程学院和乔治·w·伍德拉夫机械工程学院的教授。“但对于一大类干扰,即平面内干扰,你可能会设计出一种好的隐身衣。”

在地震中,面内扰动是沿地球表面平坦而宽阔或平面路径传播的地震波。

Yavari和他的合作者Ashkan Golgoon,一个和Yavari一起学习的研究生助理,在杂志上发表了他们的研究理性力学与分析档案2019年5月16日,理论固体力学领域的权威期刊。这项研究是由陆军研究办公室资助的。

梦斗篷

通过隐形斗篷引导应力波通过不存在的结构的梦想与隐形斗篷的梦想有很多共同之处,隐形斗篷可以弯曲物体周围的光——电磁波,然后将其指向物体的另一侧。

照射到观看者眼睛上的光波会揭示物体背后的东西,而不是物体本身。在弹性动力隐形中,波不是电磁的,而是机械的,在地面上移动。假设,给物体披上斗篷就能将其与波完全隔离。

比如说,为了保护核反应堆不受任何穿过地面的应力波的影响,无论是自然灾害还是人为灾难,理想情况下,土木工程师可能会把反应堆的底部降低到地表以下的一个洞里。他们会在它周围建造一个保护圆柱体或一个半球形的地下碗,用特殊材料来引导应力波绕过圆。

有了梦,就有了研究结果。

亚瓦里说:“我们证明了斗篷的形状无关紧要,无论是球形还是圆柱形,你都不可能完全隐形。”

错误的类比

电磁(光)隐身的许多理论和数学已经转移到弹性动力隐身的研究中,而前者的一些理论和数学似乎阻碍了后者的研究。

“很多时候,其他领域的类比是有用的,但弹性增加了电磁学中没有的多种物理因素,”Yavari说。“例如,在许多研究文献中,角动量的平衡被破坏了。

角动量是旋转运动中质量的一种性质,它不受变化的影响。许多人通过倾斜旋转的陀螺仪并看着它顽固地沿着意想不到的路径移动来体验角动量。

虽然光是波,但它是光子,没有质量。另一方面,应力波在物质中传播——特别是固体物质,而不是液体或气体——这就给方程增加了关键的现实世界动力学。

这些动态也会影响隐藏物体的洞。没有它,应力波在介质中传播得相当均匀,但有了它,应力集中在孔周围,扰乱了波的整齐几何形状。

罗马斗篷?

该怎么办?斗篷。如果没有理想的解决方案,那就做一个不完美的。

“数学表明,从严格意义上讲,隐形是不可能的。当你明白了这一点,你就不会浪费时间了。”“你可以根据你想要保护的目标压力或负荷,制定优化问题。”

如果工程师们使用的材料经过了特别的预应力,具有一定的弹性特性和密度分布,那么他们就可以抵御重要的地震压力。现实生活中的斗篷可能不够理想,但仍然很棒。

亚瓦里说:“如果我只感受到10%或20%的波浪能量,而不是100%的波浪能量,这是一件大事,因为工程不是追求绝对理想。”

即使是出了名的数学恐惧症的古罗马人,似乎也无意中在他们的圆形剧场设计中建造了抗震斗篷麻省理工科技评论。它们与现代实验斗篷装置的相似性可能帮助它们在地震活跃地区保存了2000年。

这项新研究还检验了土木工程中一个流行的观点,即用一系列具有微观结构的材料建造建筑,使它们成为“Cosserat固体”,可能会实现完美的隐身。作者得出结论,这也行不通。这项研究没有考虑所谓的超材料,这种材料因改变特定光波的路径而受到关注。

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故事来源:

材料所提供的佐治亚理工学院。本·布伦菲尔德(Ben Brumfield)原创。注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。


期刊引用

  1. Arash Yavari, Ashkan Golgoon。非线性和线性弹性动力变换隐身理性力学与分析档案, 2019;DOI:10.1007 / s00205 - 019 - 01389 - 2

引用此页

佐治亚理工学院。“打破了对压力波‘隐形’斗篷的理想梦想。”《科学日报》。《科学日报》,2019年6月7日。< www.koonmotors.com/releases/2019/06/190607193701.htm >。
佐治亚理工学院。(2019年6月7日)打破了理想的压力波“隐形”斗篷的梦想。《科学日报》。2023年6月22日检索自www.koonmotors.com/releases/2019/06/190607193701.htm
佐治亚理工学院。“打破了对压力波‘隐形’斗篷的理想梦想。”《科学日报》。www.koonmotors.com/releases/2019/06/190607193701.htm(2023年6月22日访问)。

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