"Blade Runner"، "Con Air"، "Heavy Rain" - ما هو القاسم المشترك بين ممثلي الثقافة الشعبية؟ تتميز جميعها بدرجة أو بأخرى بالفن الياباني القديم لطي الورق - الأوريغامي. في الأفلام والألعاب وفي الحياة الواقعية، غالبًا ما يستخدم الأوريجامي كرمز لمشاعر معينة أو بعض الذكريات أو رسالة فريدة. يعد هذا عنصرًا عاطفيًا في الأوريجامي، ولكن من وجهة نظر علمية، يتم إخفاء العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام من مجموعة متنوعة من المجالات في الأشكال الورقية: الهندسة والرياضيات وحتى الميكانيكا. سنتعرف اليوم على دراسة قام فيها علماء من المعهد الأمريكي للفيزياء بإنشاء جهاز لتخزين البيانات عن طريق طي/فتح أشكال الأوريجامي. كيف تعمل بطاقة الذاكرة الورقية بالضبط، وما هي المبادئ التي يتم تنفيذها فيها، وما مقدار البيانات التي يمكن لمثل هذا الجهاز تخزينها؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. يذهب.
أساس البحث
من الصعب تحديد متى نشأ الأوريجامي بالضبط. لكننا نعلم على وجه اليقين أنه في موعد لا يتجاوز 105 م. في هذا العام اخترع تساى لون الورق في الصين. بالطبع، قبل هذه اللحظة، كان الورق موجودًا بالفعل، لكنه لم يكن مصنوعًا من الخشب، بل من الخيزران أو الحرير. الخيار الأول لم يكن سهلا، والثاني كان مكلفا للغاية. تم تكليف Cai Lun بالتوصل إلى وصفة جديدة للورق تكون خفيفة ورخيصة وسهلة الصنع. المهمة ليست سهلة، لكن كاي لون تحول إلى المصدر الأكثر شعبية للإلهام - الطبيعة. ولفترة طويلة لاحظ الدبابير التي كانت بيوتها مصنوعة من الخشب والألياف النباتية. أجرى تساي لون العديد من التجارب التي استخدم فيها مجموعة متنوعة من المواد لصنع الورق المستقبلي (لحاء الشجر والرماد وحتى شباك الصيد) ممزوجة بالماء. تم وضع الكتلة الناتجة في شكل خاص وتجفيفها في الشمس. كانت نتيجة هذا العمل الضخم شيئًا عاديًا للإنسان الحديث - الورق.
في عام 2001، تم افتتاح حديقة تحمل اسم Cai Lun في مدينة Leiyang (الصين).
لم يحدث انتشار الورق إلى بلدان أخرى على الفور، فقط في بداية القرن السابع وصلت وصفته إلى كوريا واليابان، ووصل الورق إلى أوروبا فقط في القرنين الحادي عشر والثاني عشر.
الاستخدام الأكثر وضوحًا للورق هو بالطبع المخطوطات والطباعة. ومع ذلك، وجد اليابانيون استخدامًا أكثر أناقة له - الأوريجامي، أي. شخصيات ورقية قابلة للطي.
رحلة قصيرة إلى عالم الأوريجامي والهندسة.
هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من خيارات الأوريجامي، بالإضافة إلى تقنيات صنعها: الأوريجامي البسيط، والكوسوداما (المعياري)، والطي الرطب، والأوريغامي النمطي، والكيريجامي، وما إلى ذلك. ()
من وجهة نظر علمية، الأوريجامي عبارة عن مادة ميكانيكية يتم تحديد خصائصها من خلال هندستها، وليس من خلال خصائص المادة التي صنعت منها. لقد ثبت منذ بعض الوقت أنه يمكن إنشاء هياكل متعددة الاستخدامات قابلة للنشر ثلاثية الأبعاد ذات خصائص فريدة باستخدام أنماط الأوريجامي المتكررة.
الصورة رقم 1
على الصورة 1b يُظهر مثالاً على مثل هذا الهيكل - منفاخ قابل للنشر، مصنوع من ورقة واحدة وفقًا للرسم التخطيطي 1а. ومن خلال خيارات الأوريجامي المتاحة، حدد العلماء شكلًا مختلفًا يتم فيه تنفيذ فسيفساء من الألواح المثلثة المتطابقة والمرتبة بشكل متماثل دوري، والمعروفة باسم أوريغامي كروسلينج.
من المهم أن نلاحظ أن الهياكل المعتمدة على الأوريجامي تأتي في نوعين: جامدة وغير جامدة.
الأوريجامي الصلب عبارة عن هيكل ثلاثي الأبعاد حيث تتعرض الطيات الموجودة بين الألواح فقط للتشوه أثناء الفتح.
ومن الأمثلة البارزة على الأوريغامي الصلب ميورا أوري، الذي يستخدم لإنشاء مواد ميكانيكية ذات نسبة بواسون سلبية. ولهذه المواد نطاق واسع من التطبيقات: استكشاف الفضاء، والإلكترونيات القابلة للتشوه، والعضلات الاصطناعية، وبالطبع المواد الميكانيكية الخارقة القابلة لإعادة البرمجة.
الأوريجامي غير الصلب عبارة عن هياكل ثلاثية الأبعاد تظهر تشوهًا مرنًا غير صلب للألواح بين الطيات أثناء الفتح.
مثال على هذا النوع من الأوريجامي هو نمط كروسلينج المذكور سابقًا، والذي تم استخدامه بنجاح لإنشاء هياكل ذات ثبات متعدد قابل للضبط، وصلابة، وتشوه، وتليين/تصلب، و/أو صلابة قريبة من الصفر.
نتائج الدراسة
مستوحاة من الفن القديم، قرر العلماء استخدام أوريغامي كروسلينج لتطوير مجموعة من المفاتيح الثنائية الميكانيكية التي يمكن إجبارها على التبديل بين حالتين ثابتتين مختلفتين باستخدام مدخل واحد متحكم فيه في شكل إثارة توافقية مطبقة على قاعدة المفتاح .
كما رأينا من 1bيتم تثبيت المنفاخ من أحد طرفيه ويخضع لحمل خارجي في الاتجاه x عند الطرف الحر الآخر. ونتيجة لذلك، فإنه يخضع لانحراف ودوران متزامنين على طول وحول المحور السيني. يتم إطلاق الطاقة المتراكمة أثناء تشوه المنفاخ عند إزالة الحمل الخارجي، مما يؤدي إلى عودة المنفاخ إلى شكله الأصلي.
ببساطة، نحن ننظر إلى نابض الالتواء الذي تعتمد قدرته على الاستعادة على شكل وظيفة الطاقة الكامنة للمنفاخ. وهذا بدوره يعتمد على المعلمات الهندسية (a0، b0، γ0) للمثلث المركب المستخدم في بناء المنفاخ، بالإضافة إلى العدد الإجمالي (n) لهذه المثلثات (1а).
بالنسبة لمجموعة معينة من معلمات التصميم الهندسي، فإن دالة الطاقة الكامنة في المنفاخ لها حد أدنى واحد يتوافق مع نقطة توازن ثابتة واحدة. بالنسبة للمجموعات الأخرى، تحتوي دالة الطاقة المحتملة على حدين أدنى يتوافقان مع تكوينين منفاخين ثابتين، يرتبط كل منهما بارتفاع توازن مختلف أو، بدلاً من ذلك، انحراف الزنبرك (1s). غالبًا ما يسمى هذا النوع من الربيع ثنائي الاستقرار (الفيديو أدناه).
على الصورة 1d يُظهر المعلمات الهندسية المؤدية إلى تكوين زنبرك ثنائي الاستقرار والمعلمات المؤدية إلى تكوين زنبرك أحادي الاستقرار لـ n=12.
يمكن للزنبرك ثنائي الاستقرار أن يتوقف عند أحد مواضع توازنه في حالة عدم وجود أحمال خارجية ويمكن تفعيله للتبديل بينهما عند توفر الكمية المناسبة من الطاقة. هذه الخاصية هي أساس هذه الدراسة التي تدرس إنشاء مفاتيح Kroesling الميكانيكية (KIMS من مفاتيح ميكانيكية مستوحاة من كريسلينج) مع حالتين ثنائيتين.
وعلى وجه الخصوص، كما هو مبين في 1c، يمكن تنشيط المفتاح للانتقال بين حالتيه من خلال توفير طاقة كافية للتغلب على حاجز الجهد (∆E). يمكن توفير الطاقة في شكل تشغيل بطيء شبه ثابت أو عن طريق تطبيق إشارة توافقية على قاعدة المفتاح بتردد إثارة قريب من تردد الرنين المحلي للمفتاح في حالات توازنه المختلفة. تقرر في هذه الدراسة استخدام الخيار الثاني، حيث أن عملية الرنين التوافقي تتفوق على العملية شبه الساكنة في بعض النواحي.
أولاً، يتطلب تشغيل الرنين قوة أقل للتبديل ويكون أسرع بشكل عام. ثانيًا، تبديل الرنين غير حساس للاضطرابات الخارجية التي لا يتردد صداها مع المفتاح في حالاته المحلية. ثالثًا، نظرًا لأن الوظيفة المحتملة للمفتاح عادة ما تكون غير متماثلة بالنسبة إلى نقطة التوازن غير المستقرة U0، فإن خصائص الإثارة التوافقية المطلوبة للتبديل من S0 إلى S1 عادة ما تكون مختلفة عن تلك المطلوبة للتبديل من S1 إلى S0، مما يؤدي إلى احتمال التبديل الثنائي الانتقائي للإثارة.
يعد تكوين KIMS هذا مثاليًا لإنشاء لوحة ذاكرة ميكانيكية متعددة البت باستخدام مفاتيح ثنائية متعددة ذات خصائص مختلفة موضوعة على منصة واحدة مدفوعة توافقيًا. يرجع إنشاء مثل هذا الجهاز إلى حساسية شكل وظيفة الطاقة المحتملة للمفتاح للتغيرات في المعلمات الهندسية للألواح الرئيسية (1e).
ونتيجة لذلك، يمكن وضع KIMS متعددة ذات خصائص تصميم مختلفة على نفس المنصة وإثارة الانتقال من حالة إلى أخرى، بشكل فردي أو مجتمعة باستخدام مجموعات مختلفة من معلمات الإثارة.
في مرحلة الاختبار العملي، تم إنشاء مفتاح من ورق بكثافة 180 جم/م2 مع معلمات هندسية: γ0 = 26.5°; ب0/أ0 = 1.68؛ a0 = 40 مم و n = 12. هذه هي المعلمات، وفقًا للحسابات (1d) ، ويؤدي إلى أن يكون الربيع الناتج ثنائي الاستقرار. تم إجراء الحسابات باستخدام نموذج مبسط للجمالون المحوري (هيكل القضيب) للمنفاخ.
باستخدام الليزر، تم عمل خطوط مثقوبة على قطعة من الورق (1а)، وهي أماكن قابلة للطي. تم بعد ذلك عمل الطيات على طول الحواف b0 (منحنية للخارج) وγ0 (منحنية للداخل)، وتم ربط حواف الأطراف البعيدة بإحكام. تم تعزيز الأسطح العلوية والسفلية للمفتاح بمضلعات أكريليك.
تم الحصول على منحنى قوة الاستعادة للمفتاح بشكل تجريبي من خلال اختبارات الضغط والشد التي تم إجراؤها على آلة اختبار عالمية مع إعداد خاص يسمح بتدوير القاعدة أثناء الاختبارات (1f).
تم تثبيت نهايات مضلع التبديل الأكريليكي بشكل صارم، وتم تطبيق إزاحة متحكم فيها على المضلع العلوي بسرعة مستهدفة تبلغ 0.1 مم / ثانية. تم تطبيق عمليات إزاحة الشد والضغط بشكل دوري وتقتصر على 13 ملم. قبل الاختبار الفعلي للجهاز، يتم ضبط المفتاح عن طريق إجراء عشر دورات تحميل من هذا القبيل قبل تسجيل قوة الاستعادة باستخدام خلية تحميل 50N. على 1g يُظهر منحنى قوة الاستعادة للمفتاح الذي تم الحصول عليه تجريبيًا.
بعد ذلك، من خلال دمج متوسط قوة الاستعادة للمفتاح في نطاق التشغيل، وظيفة الطاقة المحتملة (1h). يمثل الحد الأدنى في دالة الطاقة المحتملة توازنًا ثابتًا مرتبطًا بحالتي التبديل (S0 وS1). بالنسبة لهذا التكوين المحدد، تحدث S0 وS1 عند ارتفاعات النشر u = 48 مم و58.5 مم، على التوالي. من الواضح أن وظيفة الطاقة المحتملة غير متماثلة مع حواجز الطاقة المختلفة ∆E0 عند النقطة S0 و∆E1 عند النقطة S1.
تم وضع المفاتيح على شاكر كهروديناميكي، والذي يوفر الإثارة الخاضعة للرقابة للقاعدة في الاتجاه المحوري. استجابة للإثارة، يتأرجح السطح العلوي للمفتاح في اتجاه عمودي. تم قياس موضع السطح العلوي للمفتاح بالنسبة للقاعدة باستخدام مقياس اهتزاز الليزر (2а).
الصورة رقم 2
لقد وجد أن تردد الرنين المحلي للمفتاح لحالتيه هو 11.8 هرتز لـ S0 و 9.7 هرتز لـ S1. لبدء الانتقال بين دولتين، أي الخروج من المحتملة بشكل جيد*، تم إجراء عملية مسح تردد خطية ثنائية الاتجاه بطيئة للغاية (0.05 هرتز / ثانية) حول الترددات المحددة مع تسارع أساسي قدره 13 مللي ثانية -2. على وجه التحديد، تم وضع نظام KIMS في البداية عند S0 وبدأ اكتساح التردد المتزايد عند 6 هرتز.
المحتملة بشكل جيد* - المنطقة التي يوجد بها حد أدنى محلي من الطاقة الكامنة للجسيم.
كما شوهد على 2bعندما يصل تردد القيادة إلى 7.8 هرتز تقريبًا، يترك المفتاح بئر الجهد S0 ويدخل بئر الجهد S1. استمر المفتاح في البقاء في S1 مع زيادة التردد.
تم بعد ذلك ضبط المفتاح على S0 مرة أخرى، ولكن هذه المرة تم بدء عملية المسح السفلي عند 16 هرتز. في هذه الحالة، عندما يقترب التردد من 8.8 هرتز، يترك المفتاح S0 ويدخل ويبقى في بئر الجهد S1.
الحالة S0 لديها نطاق تنشيط قدره 1 هرتز [7.8، 8.8] مع تسارع قدره 13 مللي ثانية-2، وS1 - 6...7.7 هرتز (2s). ويترتب على ذلك أن KIMS يمكنه التبديل بشكل انتقائي بين حالتين من خلال الإثارة التوافقية لقاعدة بنفس الحجم ولكن بتردد مختلف.
يعتمد عرض النطاق الترددي التبديلي لنظام KIMS بشكل معقد على شكل وظيفة الطاقة المحتملة وخصائص التخميد ومعلمات الإثارة التوافقية (التردد والحجم). بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للسلوك غير الخطي المخفف للمفتاح، فإن عرض نطاق التنشيط لا يتضمن بالضرورة تردد الرنين الخطي. لذلك، من المهم أن يتم إنشاء خريطة تنشيط التبديل لكل KIMS على حدة. تُستخدم هذه الخريطة لوصف تكرار وحجم الإثارة التي تؤدي إلى التحول من حالة إلى أخرى والعكس.
يمكن إنشاء مثل هذه الخريطة تجريبيًا عن طريق مسح التردد عند مستويات إثارة مختلفة، لكن هذه العملية تتطلب عمالة مكثفة للغاية. ولذلك قرر العلماء في هذه المرحلة الانتقال إلى نمذجة المفتاح باستخدام دالة الطاقة الكامنة التي تم تحديدها خلال التجارب (1h).
يفترض النموذج أن السلوك الديناميكي للمفتاح يمكن تقريبه جيدًا من خلال ديناميكيات مذبذب هيلمهولتز-دافينج غير المتماثل، والذي يمكن التعبير عن معادلة حركته على النحو التالي:
حيث u — انحراف الوجه المتحرك لمضلع الأكريليك بالنسبة للوجه الثابت؛ m - الكتلة الفعالة للمفتاح؛ c — تم تحديد معامل التخميد اللزج تجريبيًا؛ AIS — معاملات قوة الاستعادة الثنائية؛ ab و Ω هما الحجم الأساسي وتردد التسارع.
تتمثل المهمة الرئيسية للمحاكاة في استخدام هذه الصيغة لإنشاء مجموعات من ab وΩ تسمح بالتبديل بين حالتين مختلفتين.
لاحظ العلماء أن ترددات الإثارة الحرجة التي ينتقل عندها مذبذب ثنائي الاستقرار من حالة إلى أخرى يمكن تقريبها بترددين التشعبات*: التشعب المزدوج الدوري (PD) والتشعب الدوري (CF).
التشعب* — التغيير النوعي للنظام من خلال تغيير المعلمات التي يعتمد عليها.
وباستخدام التقريب، تم إنشاء منحنيات استجابة التردد لنظام KIMS في حالتيه. على المخطط 2e يُظهر منحنيات استجابة التردد للمفتاح عند S0 لمستويين مختلفين من التسارع الأساسي.
عند تسارع أساسي قدره 5 مللي ثانية-2، يُظهر منحنى الاتساع والتردد تليينًا طفيفًا، ولكن لا يوجد عدم استقرار أو تشعبات. وبالتالي، يظل المفتاح في الحالة S0 بغض النظر عن كيفية تغير التردد.
ومع ذلك، عند زيادة التسارع الأساسي إلى 13 مللي ثانية -2، ينخفض الثبات بسبب تشعب PD مع انخفاض تردد القيادة.
باستخدام نفس المخطط، تم الحصول على منحنيات استجابة التردد للمفتاح في S1 (2f). عند تسارع قدره 5 مللي ثانية-2، يظل النمط المرصود كما هو. ومع ذلك، مع زيادة التسارع الأساسي إلى 10 مللي ثانية-2 تظهر تشعبات PD وCF. يؤدي إثارة المفتاح عند أي تردد بين هذين التشعبين إلى التبديل من S1 إلى S0.
تشير بيانات المحاكاة إلى وجود مناطق كبيرة في خريطة التنشيط يمكن من خلالها تنشيط كل حالة بطريقة فريدة. يتيح لك هذا التبديل بشكل انتقائي بين حالتين اعتمادًا على تردد المشغل وحجمه. ويمكن أيضًا ملاحظة أن هناك منطقة حيث يمكن لكلتا الدولتين التبديل في وقت واحد.
الصورة رقم 3
يمكن استخدام مجموعة من عدة KIMS لإنشاء ذاكرة ميكانيكية مكونة من عدة بتات. من خلال تغيير هندسة المحول بحيث يكون شكل وظيفة الطاقة المحتملة لأي محولين مختلفًا بما فيه الكفاية، فمن الممكن تصميم عرض نطاق التنشيط للمحولات بحيث لا تتداخل. ونتيجة لهذا، سيكون لكل مفتاح معلمات إثارة فريدة.
لتوضيح هذه التقنية، تم إنشاء لوحة 2 بت بناءً على محولين لهما خصائص محتملة مختلفة (3а): البتة 1 - γ0 = 28°; ب0/أ0 = 1.5؛ a0 = 40 مم و n = 12؛ البتة 2 - γ0 = 27°؛ ب0/أ0 = 1.7؛ أ0 = 40 ملم و ن = 12.
نظرًا لأن كل بت له حالتان، يمكن تحقيق إجمالي أربع حالات مختلفة S00 وS01 وS10 وS11 (3b). تشير الأرقام بعد S إلى قيمة المحول الأيسر (البت 1) واليمين (البت 2).
يظهر سلوك المحول 2 بت في الفيديو أدناه:
بناءً على هذا الجهاز، يمكنك أيضًا إنشاء مجموعة من المفاتيح، والتي يمكن أن تكون أساسًا للوحات الذاكرة الميكانيكية متعددة البت.
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر и له.
خاتمة
من غير المرجح أن يتخيل أي من مبدعي الأوريجامي كيف سيتم استخدام إبداعاتهم في العالم الحديث. من ناحية، يشير هذا إلى عدد كبير من العناصر المعقدة المخفية في الأشكال الورقية العادية؛ ومن ناحية أخرى، فإن العلم الحديث قادر على استخدام هذه العناصر لخلق شيء جديد تمامًا.
في هذا العمل، تمكن العلماء من استخدام هندسة كروسلينج الورقية لإنشاء مفتاح ميكانيكي بسيط يمكن أن يكون في حالتين مختلفتين، اعتمادًا على معلمات الإدخال. يمكن مقارنتها بـ 0 و 1، وهي الوحدات الكلاسيكية للمعلومات.
تم دمج الأجهزة الناتجة في نظام ذاكرة ميكانيكي قادر على تخزين 2 بت. مع العلم أن الحرف الواحد يستغرق 8 بتات (1 بايت)، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو: كم عدد الأوريغامي المماثل الذي نحتاجه لكتابة "الحرب والسلام" على سبيل المثال.
ويدرك العلماء جيدًا الشكوك التي قد يسببها تطورهم. ومع ذلك، فإن هذا البحث، حسب رأيهم، هو استكشاف في مجال الذاكرة الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، يجب ألا يكون الأوريجامي المستخدم في التجارب كبيرًا، حيث يمكن تقليل أبعاده بشكل كبير دون المساس بخصائصه.
مهما كان الأمر، لا يمكن تسمية هذا العمل بأنه عادي أو عادي أو ممل. لا يُستخدم العلم دائمًا لتطوير شيء محدد، ولا يعرف العلماء دائمًا في البداية ما الذي يقومون بإنشائه بالضبط. ففي نهاية المطاف، كانت معظم الاختراعات والاكتشافات نتيجة لسؤال بسيط - ماذا لو؟
شكرًا على المشاهدة ، ابق فضوليًا واستمتع بعطلة نهاية أسبوع رائعة للجميع! 🙂
بعض الاعلانات
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتوى المثير للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، , تناظرية فريدة من خوادم المستوى المبتدئ ، اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com