كيف تعمل الاشياء

شرح ميكانيكية عش الطائر

 التجارب والمحاكاة تشرح الطبيعة غير العادية لهيكلة مبنى عش الطيور.

يحقق عش الطائر التماسك والمرونة من خلال تشابك قضبان منحنية في اتصال يعتمد على الاحتكاك.

عش الطائر هو أعجوبة الهندسة الطبيعية: حزمة غير منتظمة من قضبان مرنة منسوجة في مادة خفيفة الوزن ونابضة ، لكنها متماسكة. استخدم فريق من الباحثين الآن التصوير بالأشعة السينية والمحاكاة الحاسوبية لشرح كيف يكتسب تجميع يشبه العش من قضبان قصيرة استجابته غير المعتادة للضغوط الميكانيكية. وجدوا أن الاحتكاك بين الخيوط وتوزيع نقاط الاتصال للخيوط يلعب دورًا مهمًا في تحديد خصائص العش. يمكن أن يساعد الفهم الأفضل لهذه العوامل في الجهود المبذولة لاستخدام حزم قضبان تشبه العش في الهندسة المعمارية.

هيكل عش الطائر هو نوع من المواد الحبيبية ، في منتصف الطريق بين التعبئة العشوائية للحبوب المتراصة ، مثل الأرز ، ومجموعة متشابكة من الألياف القاسية ، مثل الشعر. تمت دراسة الوسائط الحبيبية المصنوعة من جسيمات شبيهة بالقضيب قصيرة جدًا سابقًا ، ولكن تم إيلاء اهتمام أقل للقضبان الطويلة بما يكفي للثني والتشابك ، مع نسب الطول إلى العرض من عدة عشرات  .

في السابق ، قام ماتيا جازولا من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين ، وهنتر كينج من جامعة أكرون بولاية أوهايو ، وزملاؤهم بفحص الخواص الميكانيكية للعبوات العشوائية لقضبان الخيزران القصيرة التي يتم سكبها في أسطوانة بلاستيكية شفافة وضغطها باستخدام صفيحة علوية تشبه المكبس .

الضغط على العش. درس الباحثون السلوك الميكانيكي للعبوات العشوائية لقضبان الخيزران القصيرة المحصورة في حاوية أثناء عصرها بواسطة مكبس (يسار). قارن الفريق النتائج التجريبية بمحاكاة حاسوبية لنفس النظام (يمين).

ووجدوا أن مجموعة القضبان هذه تعود إلى حجمها الأصلي إلى حد ما عند تحرير ضغط اللوحة. لكنها تفعل ذلك بطريقة غير خطية - فالتشوه لا يتناسب ببساطة مع الضغط المطبق. وهناك تباطؤ - منحنى الإجهاد والانفعال للضغط لا يتطابق مع المنحنى أثناء التحرير. يبدأ المنحنيان وينتهيان في نفس الأماكن ولكنهما يأخذان مسارات مختلفة ، مما يؤدي إلى إنشاء حلقة. وقد لوحظ مثل هذا السلوك أيضًا لضغط الجسيمات الكروية ذات النسبة المنخفضة.

تشير حلقة التخلفية إلى أنه أثناء الانضغاط ، لا يتم تخزين الطاقة ببساطة عن طريق الانحناء المرن للقضبان: يُفقد بعضها كحرارة احتكاكية حيث تنزلق القضبان فوق بعضها البعض ، وتتناسب الكمية مع المنطقة المحاطة بالحلقة. رأى الباحثون نفس السلوك النوعي في محاكاة الكمبيوتر.

لفهم هذا السلوك بشكل أفضل ، استخدم Gazzola وزملاؤه الآن التصوير المقطعي بالأشعة السينية بمساعدة الكمبيوتر لإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد لنقاط التلامس بين القضبان (التي يبلغ طولها 76 مم ، بنسبة عرض إلى ارتفاع 31). يمكن للفريق تتبع كيفية تغير خرائط جهات الاتصال أثناء دورات الضغط والإفراج.

أظهرت البيانات أنه مع زيادة الضغط ، يزداد عدد جهات الاتصال على طول كل قضيب. تعمل جهات الاتصال هذه على تقييد الانحناء ، وبالتالي تصبح القضبان أكثر صلابة مع زيادة الضغط. تفسر هذه الملاحظة عدم الخطية لمنحنيات الإجهاد والانفعال. لاحظ الفريق أيضًا انزلاق واحتكاك الملامسات على طول القضبان. يوجد عدم تناسق بين الانزلاق أثناء الانضغاط وذلك أثناء التحرير بسبب الحاجة إلى التغلب على الاحتكاك الساكن قبل أن تتحرك جهة الاتصال: في أي لحظة ، تكون نقطة الاتصال محاصرة بالاحتكاك بعيدًا عن حالتها الأكثر استقرارًا. يفسر عدم التناسق هذا حلقة التخلفية.

بدأ بعض المهندسين المعماريين في الاستفادة من الهياكل الشبيهة بالأعشاش المتشابكة هندسيًا ، ويأمل كينج أن "يكون تقديم تفسير لأصل الاستجابات الميكانيكية الأبسط خطوة أولى نحو ضبط صلابة أو مرونة أو صلابة مثل هذه الهياكل ". إنه يشك في أن "هناك إمكانات هائلة لضبط خصائص المواد الكلية من خلال تغيير التفاصيل البسيطة للعناصر."

يقول سيث فرادين ، عالم فيزياء المواد اللينة في جامعة برانديز في ماساتشوستس ، إنه في أعشاش الطيور "من الواضح أن هناك مبادئ هندسية مهمة تلعب دورًا ، ويجب علينا أن نفهمها". العمل الجديد ، كما يقول ، "هو خطوة أولى مهمة" نحو هذا الهدف. يثني على التجارب والمحاكاة ، لكنه يلاحظ أن الأعشاش الحقيقية لا تقتصر على حاوية ، وبالتالي فإن الصلة المباشرة لهذه التجارب بالطبيعة غير واضحة. يوافق هاينريش جايجر من جامعة شيكاغو ، المتخصص في الوسائط الحبيبية ، مضيفًا أن الحجم الصغير للهيكل يعني أن السلوك قد يكون قد تأثر بشدة بالتفاعلات بين القضبان وجدران الحاوية.

يوافق كينج على أن الجدران لها تأثير ، لكن الفريق يقوم حاليًا بتقييم كيفية تغير خصائص الهيكل مع الحجم ويأمل في النهاية في استقراءها إلى "عش غير محدود" ، خالٍ من التأثيرات الحدودية. ويضيف أنه يبقى أن نرى ما الذي يجعل هيكلًا كهذا يعتمد على ذاته. ربما يعتمد ذلك على تفاصيل إجراءات التعبئة ، كما يقول: من المعروف أن الطيور التي تبني الأعشاش "تنحني وتثني في أعواد تخرج من حواف عش قيد الإنشاء ، والتي يمكن أن تؤدي إلى تكوين هيكل دعم ذاتي" .

المصدر

النشرة البريدية

الرجاء تعبئة التفاصيل ادناه لتلقي نشرتنا البريدية