"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - populyar mədəniyyətin bu nümayəndələrini nə birləşdirə bilər? Hamısı bu və ya digər dərəcədə qədim Yapon kağız qatlama sənətini - origami xüsusiyyətini daşıyır. Filmlərdə, oyunlarda və real həyatda origami tez-tez müəyyən hisslərin, bəzi xatirələrin və ya unikal mesajın simvolu kimi istifadə olunur. Bu, daha çox origaminin emosional komponentidir, lakin elmi nöqteyi-nəzərdən müxtəlif sahələrdən bir çox maraqlı cəhətlər kağız fiqurlarda gizlənir: həndəsə, riyaziyyat və hətta mexanika. Bu gün biz Amerika Fizika İnstitutunun alimlərinin origami fiqurlarını qatlayaraq/açaraq məlumat saxlama qurğusu yaratdıqları araşdırma ilə tanış olacağıq. Kağız yaddaş kartı tam olaraq necə işləyir, onda hansı prinsiplər həyata keçirilir və belə bir cihaz nə qədər məlumat saxlaya bilər? Bu suallara alimlərin məruzəsində cavab tapacağıq. Get.
Tədqiqat bazası
Origaminin tam olaraq nə vaxt yarandığını söyləmək çətindir. Amma biz dəqiq bilirik ki, eramızın 105-ci ildən tez deyil. Məhz bu il Cai Lun Çində kağız icad etdi. Əlbəttə ki, bu andan əvvəl kağız artıq mövcud idi, lakin o, ağacdan deyil, bambukdan və ya ipəkdən hazırlanmışdır. Birinci seçim asan deyildi, ikincisi isə həddindən artıq baha idi. Cai Luna yüngül, ucuz və hazırlanması asan olan kağız üçün yeni resept hazırlamaq tapşırığı verildi. Tapşırıq asan deyil, lakin Cai Lun ən məşhur ilham mənbəyinə - təbiətə müraciət etdi. Uzun müddət evləri ağacdan və bitki liflərindən ibarət olan eşşəkarıları müşahidə etdi. Tsai Lun, su ilə qarışdırılmış gələcək kağız üçün müxtəlif materiallardan (ağac qabığı, kül və hətta balıq torları) istifadə etdiyi bir çox təcrübələr apardı. Nəticədə kütlə xüsusi bir forma qoyuldu və günəşdə quruduldu. Bu nəhəng işin nəticəsi müasir insan üçün nəsr olan bir obyekt - kağız oldu.
2001-ci ildə Leyanq şəhərində (Çin) Cai Lun adına park açılıb.
Kağızın başqa ölkələrə yayılması dərhal baş vermədi, yalnız XNUMX-ci əsrin əvvəllərində onun resepti Koreya və Yaponiyaya, kağız isə yalnız XNUMX-XNUMX-ci əsrlərdə Avropaya çatdı.
Kağızın ən bariz istifadəsi təbii ki, əlyazmalar və çapdır. Bununla belə, yaponlar bunun üçün daha zərif bir istifadə tapdılar - origami, yəni. qatlanan kağız fiqurlar.
Origami və mühəndislik dünyasına qısa ekskursiya.
Çox sayda origami variantları, eləcə də onları hazırlamaq üsulları var: sadə origami, kusudama (modul), yaş qatlama, naxışlı origami, kirigami və s. ()
Elm nöqteyi-nəzərindən origami mexaniki metamaterialdır, onun xassələri hazırlandığı materialın xüsusiyyətləri ilə deyil, həndəsəsi ilə müəyyən edilir. Uzun müddətdir ki, təkrarlanan origami nümunələrindən istifadə edərək unikal xüsusiyyətlərə malik çox yönlü XNUMXD yerləşdirilə bilən strukturların yaradıla biləcəyi nümayiş etdirilib.
Şəkil №1
Şəkil üzərində 1b belə bir quruluşun nümunəsini göstərir - üzərindəki diaqrama uyğun olaraq bir vərəqdən tikilmiş açılan körük. 1a. Mövcud origami variantlarından elm adamları, Kroesling origami kimi tanınan, tsiklik simmetriyada düzülmüş eyni üçbucaqlı panellərin mozaikasının həyata keçirildiyi variantı müəyyən etdilər.
Qeyd etmək lazımdır ki, origami əsaslı strukturlar iki növdə olur: sərt və sərt olmayan.
Sərt origami, açılma zamanı yalnız panellər arasındakı qıvrımların deformasiyaya məruz qaldığı üç ölçülü bir quruluşdur.
Sərt origaminin diqqətəlayiq nümunəsi mənfi Poisson nisbəti ilə mexaniki metamateriallar yaratmaq üçün istifadə edilən Miura-oridir. Belə materialın geniş tətbiq sahəsi var: kosmik tədqiqatlar, deformasiya olunan elektronika, süni əzələlər və əlbəttə ki, yenidən proqramlaşdırıla bilən mexaniki metamateriallar.
Qeyri-sərt origami, açılma zamanı qıvrımlar arasında panellərin sərt olmayan elastik deformasiyasını nümayiş etdirən üç ölçülü strukturlardır.
Belə bir origami variantının nümunəsi, tənzimlənə bilən çox sabitlik, sərtlik, deformasiya, yumşalma/bərkləşmə və/və ya sıfıra yaxın sərtliyə malik strukturlar yaratmaq üçün uğurla istifadə edilən, əvvəllər qeyd olunan Kroesling nümunəsidir.
Tədqiqatın nəticələri
Qədim sənətdən ilhamlanan elm adamları Kroeslinqin origami metodundan istifadə edərək açarın bazasına tətbiq edilən harmonik həyəcan formasında tək idarə olunan girişdən istifadə edərək iki müxtəlif statik vəziyyət arasında keçid etməyə məcbur edilə bilən mexaniki ikili açarlar toplusunu hazırlamaq qərarına gəliblər. .
Göründüyü kimi 1b, körük bir ucunda sabitlənir və digər sərbəst ucunda x istiqamətində xarici yükə məruz qalır. Bununla əlaqədar olaraq, o, x oxu boyunca və ətrafında eyni vaxtda əyilmə və fırlanmaya məruz qalır. Körüklərin deformasiyası zamanı yığılan enerji xarici yük götürüldükdə boşaldılır və körüklər əvvəlki formasına qayıdır.
Sadəcə olaraq, biz bərpaedici gücü körüklərin potensial enerji funksiyasının formasından asılı olan burulma yayına baxırıq. Bu, öz növbəsində, körüklərin qurulması üçün istifadə olunan kompozit üçbucağın həndəsi parametrlərindən (a0, b0, γ0), həmçinin bu üçbucaqların ümumi sayından (n) asılıdır.1a).
Həndəsi dizayn parametrlərinin müəyyən birləşməsi üçün körük potensial enerji funksiyası bir sabit tarazlıq nöqtəsinə uyğun gələn vahid minimuma malikdir. Digər birləşmələr üçün potensial enerji funksiyası hər biri fərqli tarazlıq hündürlüyü və ya alternativ olaraq yayın əyilməsi ilə əlaqəli iki sabit statik körük konfiqurasiyasına uyğun gələn iki minimuma malikdir (1s). Bu tip yay tez-tez bistable adlanır (aşağıdakı video).
Şəkil üzərində 1d bistabil yayın əmələ gəlməsinə aparan həndəsi parametrləri və n=12 üçün monostabil yayın əmələ gəlməsinə səbəb olan parametrləri göstərir.
Bistabil yay xarici yüklər olmadıqda öz tarazlıq mövqelərindən birində dayana bilər və lazımi miqdarda enerji mövcud olduqda onlar arasında keçid etmək üçün işə salına bilər. Məhz bu xüsusiyyət Kroesling mexaniki açarlarının (KIMS-dən) yaradılmasını araşdıran bu tədqiqatın əsasını təşkil edir. Kreslingdən ilham alan mexaniki açarlar) iki binar vəziyyətlə.
Xüsusilə də göstərildiyi kimi 1c, keçid potensial maneəni (∆E) aşmaq üçün kifayət qədər enerji verməklə iki vəziyyət arasında keçid üçün aktivləşdirilə bilər. Enerji yavaş kvazistatik işə salınma şəklində və ya müxtəlif tarazlıq vəziyyətlərində açarın yerli rezonans tezliyinə yaxın həyəcan tezliyi ilə açarın bazasına harmonik siqnal tətbiq etməklə verilə bilər. Bu tədqiqatda harmonik rezonans əməliyyatı bəzi cəhətlərə görə kvazistatik əməliyyatdan üstün olduğu üçün ikinci variantdan istifadə etmək qərara alınıb.
Birincisi, rezonans işə salınması keçid üçün daha az güc tələb edir və ümumiyyətlə daha sürətli olur. İkincisi, rezonans keçidi yerli vəziyyətlərində keçidlə rezonans yaratmayan xarici pozğunluqlara qarşı həssas deyil. Üçüncüsü, açarın potensial funksiyası qeyri-sabit tarazlıq nöqtəsi U0 ilə əlaqədar olaraq adətən asimmetrik olduğundan, S0-dan S1-ə keçid üçün tələb olunan harmonik həyəcanlandırma xarakteristikaları adətən S1-dən S0-a keçid üçün tələb olunanlardan fərqlidir və nəticədə həyəcan-selektiv ikili keçid .
Bu KIMS konfiqurasiyası bir harmonik idarə olunan platformada yerləşdirilmiş müxtəlif xüsusiyyətlərə malik çoxlu ikili açarlardan istifadə edərək çox bitli mexaniki yaddaş lövhəsi yaratmaq üçün idealdır. Belə bir cihazın yaradılması keçidin potensial enerji funksiyasının formasının əsas panellərin həndəsi parametrlərindəki dəyişikliklərə həssaslığı ilə bağlıdır (1e).
Nəticə etibarilə, müxtəlif dizayn xüsusiyyətlərinə malik çoxsaylı KIMS eyni platformada yerləşdirilə və müxtəlif həyəcan parametrləri dəstlərindən istifadə edərək fərdi olaraq və ya kombinasiyada bir vəziyyətdən digərinə keçid üçün həyəcanlana bilər.
Praktik sınaq mərhələsində həndəsi parametrləri olan 180 q/m2 sıxlığı olan kağızdan keçid yaradılmışdır: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm və n = 12. Hesablamalara əsasən, bunlar parametrlərdir (1d) və meydana gələn yayın bistabil olmasına gətirib çıxarır. Hesablamalar körüklərin eksenel trussunun (çubuq strukturunun) sadələşdirilmiş modelindən istifadə etməklə aparılmışdır.
Lazerdən istifadə edərək bir kağız üzərində delikli xətlər çəkildi (1a), qatlanan yerlərdir. Sonra b0 (xaricə əyilmiş) və γ0 (içəriyə doğru əyilmiş) kənarları boyunca qıvrımlar düzəldildi və uzaq ucların kənarları möhkəm birləşdirildi. Keçidin yuxarı və aşağı səthləri akril poliqonlarla möhkəmləndirilib.
Keçidin bərpaedici qüvvə əyrisi sınaqlar zamanı bazanın fırlanmasına imkan verən xüsusi konfiqurasiyaya malik universal sınaq maşınında aparılan sıxılma və dartılma sınaqları vasitəsilə eksperimental olaraq əldə edilmişdir (1f).
Akril keçid çoxbucağının ucları sərt şəkildə sabitləndi və yuxarı poliqona 0.1 mm/s hədəf sürətində idarə olunan yerdəyişmə tətbiq olundu. Dartma və sıxılma yerdəyişmələri dövri olaraq tətbiq edilir və 13 mm ilə məhdudlaşır. Cihazın faktiki sınağından bir qədər əvvəl, 50N yük hüceyrəsindən istifadə edərək bərpaedici qüvvə qeydə alınmazdan əvvəl keçid on belə yük dövrünü yerinə yetirməklə tənzimlənir. Aktiv 1g eksperimental olaraq alınan açarın bərpaedici qüvvə əyrisini göstərir.
Sonra, açarın orta bərpaedici gücünü əməliyyat diapazonu üzərində birləşdirərək, potensial enerji funksiyası (1h). Potensial enerji funksiyasındakı minimumlar iki keçid vəziyyəti (S0 və S1) ilə əlaqəli statik tarazlığı təmsil edir. Bu xüsusi konfiqurasiya üçün S0 və S1 müvafiq olaraq u = 48 mm və 58.5 mm yerləşdirmə hündürlüyündə baş verir. S0 nöqtəsində ∆E0 və S1 nöqtəsində ∆E1 müxtəlif enerji maneələri ilə potensial enerji funksiyası aydın şəkildə asimmetrikdir.
Açarlar bazanın eksenel istiqamətdə idarə olunan həyəcanını təmin edən elektrodinamik çalkalayıcıya yerləşdirildi. Həyəcanlanmaya cavab olaraq açarın yuxarı səthi şaquli istiqamətdə salınır. Keçidin yuxarı səthinin bazaya nisbətən mövqeyi lazer vibrometrindən istifadə edərək ölçüldü (2a).
Şəkil №2
Müəyyən edilmişdir ki, açarın iki vəziyyəti üçün yerli rezonans tezliyi S11.8 üçün 0 Hz və S9.7 üçün 1 Hz-dir. İki dövlət arasında keçidə, yəni bir çıxışa başlamaq potensial quyu*, 0.05 ms-13 baza sürətlənməsi ilə müəyyən edilmiş tezliklər ətrafında çox yavaş (2 Hz/s) iki istiqamətli xətti tezlik taraması həyata keçirilmişdir. Xüsusilə, KIMS əvvəlcə S0-da yerləşdirildi və artan tezlik taraması 6 Hz-də başladı.
Potensial quyu* - hissəciyin potensial enerjisinin yerli minimumunun olduğu bölgə.
Göründüyü kimi 2bHərəkət tezliyi təxminən 7.8 Hz-ə çatdıqda, keçid S0 potensial quyusunu tərk edir və S1 potensial quyusuna daxil olur. Tezlik daha da artdıqca keçid S1-də qalmağa davam etdi.
Daha sonra keçid yenidən S0-a təyin edildi, lakin bu dəfə eniş 16 Hz-də başladı. Bu halda tezlik 8.8 Hz-ə yaxınlaşdıqda açar S0-dan çıxır və S1 potensial quyusuna daxil olur və qalır.
Dövlət S0 1 ms-7.8 sürətlənmə ilə 8.8 Hz [13, 2] aktivləşdirmə diapazonuna və S1 - 6...7.7 Hz (2s). Buradan belə nəticə çıxır ki, KIMS eyni böyüklükdə, lakin fərqli tezlikdə olan bazanın harmonik həyəcanlanması vasitəsilə iki vəziyyət arasında seçici olaraq keçid edə bilər.
KIMS-in keçid bant genişliyi onun potensial enerji funksiyasının formasından, söndürmə xüsusiyyətlərindən və harmonik həyəcanlandırma parametrlərindən (tezlik və böyüklük) mürəkkəb asılılığa malikdir. Əlavə olaraq, keçidin qeyri-xətti davranışının yumşalması səbəbindən aktivləşdirmə bant genişliyinə mütləq xətti rezonans tezliyi daxil edilmir. Buna görə də, keçid aktivləşdirmə xəritəsinin hər bir KIMS üçün fərdi olaraq yaradılması vacibdir. Bu xəritə bir vəziyyətdən digərinə və əksinə keçidlə nəticələnən həyəcanın tezliyini və böyüklüyünü xarakterizə etmək üçün istifadə olunur.
Belə bir xəritə eksperimental olaraq müxtəlif həyəcan səviyyələrində tezliyi süpürməklə yaradıla bilər, lakin bu proses çox əmək tələb edir. Buna görə də, elm adamları bu mərhələdə təcrübələr zamanı müəyyən edilmiş potensial enerji funksiyasından istifadə edərək açarı modelləşdirməyə keçməyə qərar verdilər (1h).
Model, keçidin dinamik davranışının hərəkət tənliyi aşağıdakı kimi ifadə oluna bilən asimmetrik bistabil Helmholtz-Duffing osilatorunun dinamikası ilə yaxşı təxmin edilə biləcəyini nəzərdə tutur:
hara u — akril çoxbucaqlının hərəkətli üzünün sabitə nisbətən sapması; m — açarın effektiv kütləsi; c — eksperimental olaraq təyin olunan özlülük sönüm əmsalı; ais—bistabil bərpaedici qüvvə əmsalları; ab və Ω əsas böyüklük və sürətlənmə tezliyidir.
Simulyasiyanın əsas vəzifəsi iki fərqli vəziyyət arasında keçid etməyə imkan verən ab və Ω birləşmələrini yaratmaq üçün bu düsturdan istifadə etməkdir.
Alimlər qeyd edirlər ki, bistabil osilatorun bir vəziyyətdən digər vəziyyətə keçdiyi kritik həyəcan tezlikləri iki tezliklə təxmin edilə bilər. bifurkasiyalar*: dövr ikiqat bifurkasiya (PD) və siklik qat bifurkasiya (CF).
Bifurkasiya* — sistemin asılı olduğu parametrləri dəyişdirməklə onun keyfiyyətcə dəyişməsi.
Təxminən istifadə edərək, iki vəziyyətdə KIMS-in tezlik cavab əyriləri quruldu. Qrafikdə 2e iki müxtəlif əsas sürətlənmə səviyyəsi üçün S0-da keçidin tezlik cavab əyrilərini göstərir.
5 ms-2 baza sürətlənməsində amplituda-tezlik əyrisi bir qədər yumşalma göstərir, lakin qeyri-sabitlik və ya bifurkasiya yoxdur. Beləliklə, tezliyin necə dəyişməsindən asılı olmayaraq keçid S0 vəziyyətində qalır.
Bununla belə, əsas sürətlənmə 13 ms-2-ə qədər artırıldıqda, sürücülük tezliyi azaldıqca PD bifurkasiyası səbəbindən sabitlik azalır.
Eyni sxemdən istifadə edərək S1-də keçidin tezlik cavab əyriləri əldə edilmişdir (2f). 5 ms-2 sürətlənmədə müşahidə olunan nümunə eyni qalır. Bununla belə, əsas sürətlənmə 10 ms-ə qədər artır-2 PD və CF bifurkasiyaları görünür. Bu iki bifurkasiya arasında istənilən tezlikdə keçidi həyəcanlandırmaq S1-dən S0-a keçidlə nəticələnir.
Simulyasiya məlumatları göstərir ki, aktivləşdirmə xəritəsində hər bir vəziyyətin özünəməxsus şəkildə aktivləşdirilə biləcəyi böyük bölgələr var. Bu, tetikleyicinin tezliyindən və böyüklüyündən asılı olaraq iki vəziyyət arasında seçici olaraq keçid etməyə imkan verir. Hər iki dövlətin eyni vaxtda keçid edə bildiyi bir sahənin olduğunu da görmək olar.
Şəkil №3
Bir neçə KIMS-in birləşməsi bir neçə bitdən ibarət mexaniki yaddaş yaratmaq üçün istifadə edilə bilər. Hər hansı iki açarın potensial enerji funksiyasının formasının kifayət qədər fərqli olması üçün açarın həndəsəsini dəyişdirərək açarların aktivləşdirmə bant genişliyini elə layihələndirmək olar ki, onlar üst-üstə düşməsin. Bunun sayəsində hər bir keçid unikal həyəcan parametrlərinə malik olacaqdır.
Bu texnikanı nümayiş etdirmək üçün müxtəlif potensial xüsusiyyətləri olan iki açar əsasında 2 bitlik lövhə yaradılmışdır (3a): bit 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm və n = 12; bit 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm və n = 12.
Hər bitin iki vəziyyəti olduğundan, cəmi dörd fərqli vəziyyət S00, S01, S10 və S11 əldə edilə bilər (3b). S-dən sonrakı rəqəmlər sol (bit 1) və sağ (bit 2) açarlarının dəyərini göstərir.
2 bitlik açarın davranışı aşağıdakı videoda göstərilir:
Bu cihaz əsasında siz həmçinin çox bitli mexaniki yaddaş lövhələrinin əsasını təşkil edə bilən açarlar klasterini yarada bilərsiniz.
Tədqiqatın nüansları ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün baxmağı məsləhət görürəm и ona.
Epiloq
Çətin ki, origami yaradıcılarından hər hansı biri onların yaradılmasının müasir dünyada necə istifadə olunacağını təsəvvür edə bilsin. Bir tərəfdən, bu, adi kağız fiqurlarında gizlənmiş çoxlu sayda mürəkkəb elementləri göstərir; digər tərəfdən, müasir elm bu elementlərdən tamamilə yeni bir şey yaratmaq üçün istifadə etməyə qadirdir.
Bu işdə alimlər Kroeslinqin origami həndəsəsindən istifadə edərək giriş parametrlərindən asılı olaraq iki fərqli vəziyyətdə ola bilən sadə mexaniki keçid yarada bildilər. Bunu klassik informasiya vahidləri olan 0 və 1 ilə müqayisə etmək olar.
Yaranan qurğular 2 bit saxlamağa qadir olan mexaniki yaddaş sisteminə birləşdirildi. Bir hərfin 8 bit (1 bayt) tutduğunu bilərək, sual yaranır: məsələn, “Müharibə və Sülh” yazmaq üçün nə qədər oxşar origami lazımdır.
Alimlər onların inkişafının səbəb ola biləcəyi skeptisizmi yaxşı bilirlər. Lakin onların fikrincə, bu tədqiqat mexaniki yaddaş sahəsində araşdırmadır. Bundan əlavə, təcrübələrdə istifadə olunan origami böyük olmamalıdır, onların ölçüləri xassələrinə xələl gətirmədən əhəmiyyətli dərəcədə azaldıla bilər.
Nə olursa olsun, bu əsəri adi, bayağı və ya darıxdırıcı adlandırmaq olmaz. Elm həmişə konkret bir şey inkişaf etdirmək üçün istifadə edilmir və elm adamları həmişə nəyi yaratdıqlarını bilmirlər. Axı, əksər ixtiralar və kəşflər sadə bir sualın nəticəsi idi - əgər?
İzlədiyiniz üçün təşəkkür edirik, maraqlanın və hər kəsə gözəl həftə sonu keçirin! 🙂
Bir az reklam
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Məqalələrimiz xoşunuza gəlirmi? Daha maraqlı məzmun görmək istəyirsiniz? Sifariş verməklə və ya dostlarınıza tövsiyə etməklə bizə dəstək olun, , Sizin üçün bizim tərəfimizdən icad edilmiş giriş səviyyəli serverlərin unikal analoqu: (RAID1 və RAID10, 24 nüvəyə qədər və 40 GB DDR4 ilə mövcuddur).
Dell R730xd Amsterdamdakı Equinix Tier IV məlumat mərkəzində 2 dəfə ucuzdur? Yalnız burada Hollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! haqqında oxuyun
Mənbə: www.habr.com