02 de agosto de 2023 (Proyector Nanowerk) Todos los sistemas mecánicos exhiben resonancias vibratorias, donde la transmisión de energía a través de la estructura se dispara a ciertas frecuencias naturales. Este efecto de resonancia proviene de las propiedades de masa y rigidez del sistema. En estas frecuencias resonantes, incluso las entradas vibratorias pequeñas pueden amplificarse en grandes movimientos oscilatorios. Por ejemplo, empujar a un niño en un columpio a la frecuencia natural conduce a grandes oscilaciones con un mínimo esfuerzo. En aplicaciones de ingeniería mecánica, estas resonancias pueden ser desastrosas y, a menudo, producen vibraciones y ruidos intolerables, o incluso fallas catastróficas en equipos sensibles. Por lo tanto, limitar la amplificación en las frecuencias de resonancia es fundamental para mitigar estos efectos dañinos en campos que van desde la industria aeroespacial hasta la acústica. Las soluciones tradicionales de amortiguación de vibraciones a menudo implican un compromiso complejo entre el rendimiento de la amortiguación, la masa y la rigidez. Estas soluciones generalmente se basan en estructuras mecánicas complejas o sistemas eléctricos, que pueden agregar masa o reducir la rigidez, lo que los hace inadecuados para muchas aplicaciones. Los metamateriales de pandeo superan estas limitaciones mediante el uso de inestabilidades de pandeo para lograr un alto rendimiento de amortiguación sin necesidad de añadir masa o pérdida de rigidez. Los investigadores han desarrollado una nueva clase de mecánica metamateriales que aprovechan las inestabilidades de pandeo para lograr una amortiguación de vibraciones extrema, según un innovador estudio reciente publicado en Materiales avanzados (“Metamateriales de pandeo para amortiguación de vibraciones extremas”). Estos "metamateriales de pandeo" podrían permitir estructuras livianas que amortiguan las vibraciones de manera más efectiva que los materiales existentes y transformar una amplia gama de tecnologías donde el control de las vibraciones es fundamental. Los nuevos metamateriales adoptan un enfoque completamente diferente, utilizando inestabilidades de pandeo de sus componentes principales de carga para inducir un comportamiento no lineal que amortigua las vibraciones. "Demostramos que los metamateriales autoportantes que soportan cargas que experimentan inestabilidades de pandeo pueden establecer límites estrictos en la transmisión de vibraciones, saturando la aceleración en un valor máximo independientemente de la entrada", explicó el autor principal, David Dykstra, de la Universidad de Ámsterdam.
Amortiguación de vibraciones con pandeo. A) Un sistema amortiguador de resorte de masa (M), con excitación de base (azul) puede mostrar una gran respuesta amplificada (naranja) alrededor de la resonancia. B) Cuando el resorte es una viga esbelta, que puede pandearse cuando se somete a una carga de compresión suficiente de la base de excitación, la respuesta amplificada puede ser menor. C,D) La deformación de una muestra holar con masa montada en la parte superior cuando se somete a una excitación básica desde la parte inferior alrededor de la frecuencia propia. C) Aceleración de excitación base de 0.26 G a 33.8 Hz; D) aceleración de excitación cbase de 0.89G a 33.0 Hz. La elipticidad de los agujeros, Ω, se rastrea con elipses rojas y azules (consulte "Análisis de imágenes" en la sección Experimental, barra de colores). E,F) Las excitaciones de base (azul) de 0.26 G (E) y 0.89 G (F) inducen aceleraciones de salida (naranja) de 4.3 G (E) y 5.7 G (F), respectivamente. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) Los investigadores primero ilustraron el concepto usando un metamaterial polimérico con un patrón de agujeros circulares, que se pandea bajo compresión en amplitudes de vibración más altas. La no linealidad del pandeo provoca una meseta en la fuerza transmitida independientemente de la amplitud de entrada de la vibración. También introduce amortiguación que suprime aún más la transmisión de vibraciones tanto en compresión como en tensión. Esto significa que estos materiales pueden controlar eficazmente las vibraciones incluso cuando se están separando, un avance significativo en el campo de la amortiguación de vibraciones.
El equipo demostró que este mecanismo amortigua eficazmente las vibraciones en metamateriales elastoméricos en una gama de vibraciones de entrada controladas y aleatorias. Pero los elastómeros tienen una rigidez inherentemente baja, lo que los hace poco prácticos para muchas aplicaciones.
Entonces, los investigadores desarrollaron un metamaterial de pandeo metálico utilizando una intrincada red de láminas de acero curvas. El diseño de paredes delgadas permite el pandeo elástico sin deformación permanente. Bajo vibración, la estructura exhibe eventos de pandeo rápido que disipan energía.
El metamaterial de acero mostró un coeficiente de amortiguamiento alrededor de 23 veces mayor que los metales livianos convencionales. Según el coautor Corentin Coulais, "Esto demuestra que los metamateriales de pandeo se pueden utilizar para superar los límites de Ashby del coeficiente de pérdida frente al módulo específico". El estudio demuestra que el concepto funciona tanto para materiales blandos como rígidos. Además del trabajo experimental, los investigadores desarrollaron un modelo numérico simple para predecir la respuesta de la amortiguación de vibraciones basada en el pandeo. Este modelo es una herramienta valiosa para el futuro diseño y optimización de estos materiales, allanando el camino para sistemas de amortiguación más eficientes y efectivos.
Las aplicaciones potenciales de los metamateriales de pandeo son amplias y transformadoras. En la industria aeroespacial, por ejemplo, estos materiales podrían permitir estructuras de aviones más ligeras y más resistentes a las vibraciones. Las alas o cabinas más delgadas y amortiguadas mejorarían la eficiencia del combustible, la comodidad de los pasajeros y la seguridad al evitar fallas estructurales.
Para los fabricantes de instrumentos científicos de alta precisión como los microscopios electrónicos, los materiales podrían eliminar las vibraciones que interfieren y socavan la precisión de la imagen sin comprometer la rigidez. Sus estructuras livianas de alta amortiguación también podrían estabilizar el equipo en entornos dinámicos como los automóviles autónomos.
Además, el sector automotriz podría emplear metamateriales de pandeo para silenciar las cabinas y mejorar la calidad de conducción sin agregar peso. La estabilidad elástica de los materiales significa que podrían soportar ciclos repetidos de vibración sin fatiga. Su arquitectura de paredes delgadas podría permitir componentes de amortiguación más compactos.
Los hallazgos también ayudarán a optimizar los diseños de turbinas eólicas y puentes. La amortiguación de las vibraciones de la torre y la plataforma evita la fatiga del material y los problemas de resonancia que reducen la vida útil. Los ingenieros civiles ahora pueden crear una infraestructura más resistente con una vida útil operativa más larga.
Y los fabricantes de máquinas industriales y brazos robóticos podrían integrar los metamateriales para reducir las oscilaciones que dificultan la precisión y la calidad. La eliminación de vibraciones impulsará la productividad en las fábricas automatizadas.
El potencial se extiende también a campos como la acústica y MEMS.
By
Michael
Berger
Amortiguación de vibraciones con pandeo. A) Un sistema amortiguador de resorte de masa (M), con excitación de base (azul) puede mostrar una gran respuesta amplificada (naranja) alrededor de la resonancia. B) Cuando el resorte es una viga esbelta, que puede pandearse cuando se somete a una carga de compresión suficiente de la base de excitación, la respuesta amplificada puede ser menor. C,D) La deformación de una muestra holar con masa montada en la parte superior cuando se somete a una excitación básica desde la parte inferior alrededor de la frecuencia propia. C) Aceleración de excitación base de 0.26 G a 33.8 Hz; D) aceleración de excitación cbase de 0.89G a 33.0 Hz. La elipticidad de los agujeros, Ω, se rastrea con elipses rojas y azules (consulte "Análisis de imágenes" en la sección Experimental, barra de colores). E,F) Las excitaciones de base (azul) de 0.26 G (E) y 0.89 G (F) inducen aceleraciones de salida (naranja) de 4.3 G (E) y 5.7 G (F), respectivamente. (Reimpreso con permiso de Wiley-VCH Verlag) Los investigadores primero ilustraron el concepto usando un metamaterial polimérico con un patrón de agujeros circulares, que se pandea bajo compresión en amplitudes de vibración más altas. La no linealidad del pandeo provoca una meseta en la fuerza transmitida independientemente de la amplitud de entrada de la vibración. También introduce amortiguación que suprime aún más la transmisión de vibraciones tanto en compresión como en tensión. Esto significa que estos materiales pueden controlar eficazmente las vibraciones incluso cuando se están separando, un avance significativo en el campo de la amortiguación de vibraciones.
El equipo demostró que este mecanismo amortigua eficazmente las vibraciones en metamateriales elastoméricos en una gama de vibraciones de entrada controladas y aleatorias. Pero los elastómeros tienen una rigidez inherentemente baja, lo que los hace poco prácticos para muchas aplicaciones.
Entonces, los investigadores desarrollaron un metamaterial de pandeo metálico utilizando una intrincada red de láminas de acero curvas. El diseño de paredes delgadas permite el pandeo elástico sin deformación permanente. Bajo vibración, la estructura exhibe eventos de pandeo rápido que disipan energía.
El metamaterial de acero mostró un coeficiente de amortiguamiento alrededor de 23 veces mayor que los metales livianos convencionales. Según el coautor Corentin Coulais, "Esto demuestra que los metamateriales de pandeo se pueden utilizar para superar los límites de Ashby del coeficiente de pérdida frente al módulo específico". El estudio demuestra que el concepto funciona tanto para materiales blandos como rígidos. Además del trabajo experimental, los investigadores desarrollaron un modelo numérico simple para predecir la respuesta de la amortiguación de vibraciones basada en el pandeo. Este modelo es una herramienta valiosa para el futuro diseño y optimización de estos materiales, allanando el camino para sistemas de amortiguación más eficientes y efectivos.
Las aplicaciones potenciales de los metamateriales de pandeo son amplias y transformadoras. En la industria aeroespacial, por ejemplo, estos materiales podrían permitir estructuras de aviones más ligeras y más resistentes a las vibraciones. Las alas o cabinas más delgadas y amortiguadas mejorarían la eficiencia del combustible, la comodidad de los pasajeros y la seguridad al evitar fallas estructurales.
Para los fabricantes de instrumentos científicos de alta precisión como los microscopios electrónicos, los materiales podrían eliminar las vibraciones que interfieren y socavan la precisión de la imagen sin comprometer la rigidez. Sus estructuras livianas de alta amortiguación también podrían estabilizar el equipo en entornos dinámicos como los automóviles autónomos.
Además, el sector automotriz podría emplear metamateriales de pandeo para silenciar las cabinas y mejorar la calidad de conducción sin agregar peso. La estabilidad elástica de los materiales significa que podrían soportar ciclos repetidos de vibración sin fatiga. Su arquitectura de paredes delgadas podría permitir componentes de amortiguación más compactos.
Los hallazgos también ayudarán a optimizar los diseños de turbinas eólicas y puentes. La amortiguación de las vibraciones de la torre y la plataforma evita la fatiga del material y los problemas de resonancia que reducen la vida útil. Los ingenieros civiles ahora pueden crear una infraestructura más resistente con una vida útil operativa más larga.
Y los fabricantes de máquinas industriales y brazos robóticos podrían integrar los metamateriales para reducir las oscilaciones que dificultan la precisión y la calidad. La eliminación de vibraciones impulsará la productividad en las fábricas automatizadas.
El potencial se extiende también a campos como la acústica y MEMS.
By
Michael
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeño y
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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