«Blade Runner», «Con Air», «Heavy Rain» - бұл танымал мәдениет өкілдерінің ортақтығы қандай? Барлығы, бір дәрежеде, ежелгі жапондық қағазды бүктеу өнері - оригами. Фильмдерде, ойындарда және нақты өмірде оригами көбінесе белгілі бір сезімдердің, кейбір естеліктердің немесе бірегей хабардың символы ретінде қолданылады. Бұл оригамидің эмоционалды құрамдас бөлігі болып табылады, бірақ ғылыми тұрғыдан алғанда, әртүрлі салалардағы көптеген қызықты аспектілер қағаз фигураларында жасырылған: геометрия, математика және тіпті механика. Бүгін біз американдық физика институтының ғалымдары оригами фигураларды бүктеу/ашу арқылы деректерді сақтау құрылғысын жасаған зерттеумен танысамыз. Қағаз жад картасы нақты қалай жұмыс істейді, онда қандай принциптер жүзеге асырылады және мұндай құрылғы қанша деректерді сақтай алады? Бұл сұрақтардың жауабын ғалымдардың баяндамасынан табамыз. Бар.
Зерттеу негізі
Оригамидің нақты қашан пайда болғанын айту қиын. Бірақ 105 жылдан ерте емес екенін анық білеміз. Дәл осы жылы Цай Лун Қытайда қағазды ойлап тапты. Әрине, осы уақытқа дейін қағаз бұрыннан болған, бірақ ол ағаштан емес, бамбуктан немесе жібектен жасалған. Бірінші нұсқа оңай болмады, ал екіншісі өте қымбат болды. Цай Лунға жеңіл, арзан әрі оңай жасалатын қағаздың жаңа рецептін ойлап табу тапсырылды. Тапсырма оңай емес, бірақ Цай Лун ең танымал шабыт көзі - табиғатқа бет бұрды. Ол ұзақ уақыт бойы үйлері ағаш пен өсімдік талшықтарынан тұратын араларды бақылаған. Цай Лун сумен араласқан болашақ қағазға (ағаш қабығы, күл және тіпті балық аулайтын торлар) әртүрлі материалдарды қолданатын көптеген тәжірибелер жүргізді. Алынған масса арнайы пішінге салынып, күн астында кептірілді. Осы орасан зор жұмыстың нәтижесі қазіргі адам үшін прозалық нысан – қағаз болды.
2001 жылы Лейян қаласында (Қытай) Цай Лун атындағы саябақ ашылды.
Қағаздың басқа елдерге таралуы бірден болған жоқ, тек VII ғасырдың басында оның рецепті Корея мен Жапонияға, ал қағаз Еуропаға XNUMX-XNUMX ғасырларда ғана жетті.
Қағаздың ең айқын қолданылуы, әрине, қолжазбалар мен басып шығару. Дегенмен, жапондықтар оны неғұрлым талғампаз қолдануды тапты - оригами, яғни. бүктелген қағаз фигуралары.
Оригами және инженерия әлеміне қысқаша экскурсия.
Оригами нұсқаларының алуан түрлілігі, сондай-ақ оларды жасау әдістері: қарапайым оригами, кусудама (модульдік), ылғалды бүктеу, оригами үлгісі, киригами және т.б. ()
Ғылыми тұрғыдан алғанда, оригами механикалық метаматериал болып табылады, оның қасиеттері ол жасалған материалдың қасиеттерімен емес, оның геометриясымен анықталады. Бірегей қасиеттері бар жан-жақты XNUMXD орналастыруға болатын құрылымдарды қайталанатын оригами үлгілері арқылы жасауға болатыны біршама уақыт бойы көрсетілді.
№1 сурет
Сурет бойынша 1b мұндай құрылымның мысалын көрсетеді - сызбаға сәйкес бір парақтан жасалған орналастырылатын сильфон. 1а. Қол жетімді оригами нұсқаларының ішінен ғалымдар Кроеслинг оригами деп аталатын циклдік симметрияда орналасқан бірдей үшбұрышты панельдердің мозаикасы жүзеге асырылатын нұсқаны анықтады.
Оригами негізіндегі құрылымдардың екі түрі бар екенін ескеру маңызды: қатты және қатты емес.
Қатты оригами - ашу кезінде панельдер арасындағы қатпарлар ғана деформацияланатын үш өлшемді құрылым.
Қатты оригамидің көрнекті мысалы - теріс Пуассон қатынасы бар механикалық метаматериалдарды жасау үшін қолданылатын Миура-ори. Мұндай материалдың қолдану аясы кең: ғарышты зерттеу, деформацияланатын электроника, жасанды бұлшықеттер және, әрине, қайта бағдарламаланатын механикалық метаматериалдар.
Қатты емес оригами - ашылу кезінде қатпарлар арасындағы панельдердің қатты емес серпімді деформациясын көрсететін үш өлшемді құрылымдар.
Мұндай оригами нұсқасының мысалы ретінде реттелетін көп тұрақтылық, қаттылық, деформация, жұмсарту/қатайту және/немесе қаттылық нөлге жақын құрылымдарды жасау үшін сәтті қолданылған, бұрын айтылған Kroesling үлгісі болып табылады.
Зерттеу нәтижелері
Ежелгі өнерден шабыттанған ғалымдар қосқыштың негізіне қолданылатын гармоникалық қозу түріндегі бір басқарылатын кірісті пайдаланып екі түрлі статикалық күйлер арасында ауысуға мәжбүр болатын механикалық екілік қосқыштар кластерін жасау үшін Кроеслинг оригамиін қолдануды ұйғарды. .
Көрініп тұрғандай 1b, сильфон бір ұшында бекітіліп, екінші бос ұшында x бағытында сыртқы жүктемеге ұшырайды. Осыған байланысты ол х осінің бойымен және оның айналасында бір уақытта ауытқу мен айналуға ұшырайды. Сильфонның деформациясы кезінде жинақталған энергия сыртқы жүктемені алып тастаған кезде босатылып, сильфонды бастапқы пішініне қайтарады.
Қарапайым сөзбен айтқанда, біз қалпына келтіру күші сильфонның потенциалдық энергетикалық функциясының пішініне байланысты бұралу серіппесін қарастырамыз. Бұл өз кезегінде сильфонды салу үшін қолданылатын құрама үшбұрыштың геометриялық параметрлеріне (a0, b0, γ0), сондай-ақ осы үшбұрыштардың жалпы санына (n) байланысты (1а).
Геометриялық конструкция параметрлерінің белгілі бір комбинациясы үшін сильфонның потенциалдық энергия функциясы бір тұрақты тепе-теңдік нүктесіне сәйкес келетін жалғыз минимумға ие болады. Басқа комбинациялар үшін потенциалдық энергия функциясының екі тұрақты статикалық сильфон конфигурациясына сәйкес келетін екі минимумы бар, олардың әрқайсысы басқа тепе-теңдік биіктігімен немесе баламалы түрде серіппенің ауытқуымен байланысты (1c). Көктемнің бұл түрі жиі бистабил деп аталады (төмендегі бейне).
Сурет бойынша 1d қос тұрақты серіппенің пайда болуына әкелетін геометриялық параметрлерді және n=12 үшін біртұрақты серіппенің пайда болуына әкелетін параметрлерді көрсетеді.
Екі тұрақты серіппе сыртқы жүктемелер болмаған кезде тепе-теңдік күйлерінің бірінде тоқтай алады және энергияның тиісті мөлшері болған кезде олардың арасында ауысу үшін іске қосылуы мүмкін. Дәл осы қасиет Kroesling механикалық қосқыштарын (KIMS бастап) жасауды зерттейтін осы зерттеудің негізі болып табылады. Креслингтен шабыттандырылған механикалық қосқыштар) екі екілік күймен.
Атап айтқанда, көрсетілгендей 1c, қосқышты потенциалдық кедергіні (∆E) еңсеру үшін жеткілікті энергиямен қамтамасыз ету арқылы оның екі күйі арасында ауысуға қосуға болады. Энергия баяу квазистатикалық іске қосу түрінде немесе оның әртүрлі тепе-теңдік күйлерінде қосқыштың жергілікті резонанстық жиілігіне жақын қозу жиілігі бар қосқыштың негізіне гармоникалық сигнал беру арқылы берілуі мүмкін. Бұл зерттеуде екінші нұсқаны қолдану туралы шешім қабылданды, өйткені гармоникалық резонанстық операция кейбір көрсеткіштер бойынша квазистатикалық операциядан жоғары.
Біріншіден, резонанстық іске қосу ауысу үшін аз күш қажет және әдетте жылдамырақ. Екіншіден, резонанстық коммутация сыртқы бұзылуларға сезімтал емес, оның жергілікті күйінде қосқышпен резонанс тудырмайды. Үшіншіден, ауыстырып-қосқыштың әлеуетті функциясы U0 тұрақсыз тепе-теңдік нүктесіне қатысты әдетте асимметриялы болғандықтан, S0-ден S1-ге ауысу үшін қажетті гармоникалық қоздыру сипаттамалары әдетте S1-ден S0-ге ауысу үшін қажет болғаннан өзгеше болады, нәтижесінде қозу-селективті екілік коммутация .
Бұл KIMS конфигурациясы бір гармоникалық жетекті платформаға орналастырылған әртүрлі сипаттамалары бар бірнеше екілік қосқыштарды пайдаланып көп разрядты механикалық жад тақтасын жасау үшін өте қолайлы. Мұндай құрылғыны құру негізгі панельдердің геометриялық параметрлерінің өзгеруіне қосқыштың потенциалдық энергия функциясының пішінінің сезімталдығына байланысты (1е).
Демек, әртүрлі конструктивтік сипаттамалары бар бірнеше KIMS бір платформаға орналастырылуы мүмкін және қозу параметрлерінің әртүрлі жиынтықтарын пайдалана отырып, бір күйден екінші күйге өту үшін жеке немесе комбинацияда қозғалуы мүмкін.
Тәжірибелік сынақ сатысында геометриялық параметрлері бар тығыздығы 180 г/м2 қағаздан ажыратқыш құрылды: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 мм және n = 12. Есептеулерге қарағанда, бұл параметрлер (1d) және алынған серіппенің қос тұрақты болуына әкеледі. Есептеулер сильфондардың осьтік фермасының (шыбықтың құрылымы) жеңілдетілген үлгісін қолдану арқылы орындалды.
Лазердің көмегімен қағаз парағында перфорацияланған сызықтар жасалды (1а) бүктелетін орындар. Содан кейін b0 (сыртқа қарай қисық) және γ0 (ішке қарай қисық) жиектері бойымен бүктемелер жасалып, алыс ұштардың шеттері тығыз біріктірілді. Коммутатордың үстіңгі және астыңғы беттері акрил полигондарымен нығайтылған.
Ажыратқыштың қалпына келтіру күшінің қисығы сынақтар кезінде негізді айналдыруға мүмкіндік беретін арнайы қондырғысы бар әмбебап сынақ машинасында орындалған қысу және созу сынақтары арқылы эксперименталды түрде алынды (1f).
Акрил қосқышының полигонының ұштары қатаң бекітіліп, жоғарғы полигонға 0.1 мм/с мақсатты жылдамдықпен басқарылатын орын ауыстыру қолданылды. Созылу және қысу орын ауыстырулары циклдік түрде қолданылды және 13 мм-мен шектелді. Құрылғыны нақты сынау алдында, 50Н жүктеме ұяшығы арқылы қалпына келтіру күші жазылмас бұрын, ауыстырып-қосқыш осындай он жүктеме циклін орындау арқылы реттеледі. Қосулы 1g эксперименттік жолмен алынған қосқыштың қалпына келтіру күшінің қисығын көрсетеді.
Әрі қарай, қосқыштың орташа қалпына келтіру күшін жұмыс диапазонында біріктіру арқылы потенциалдық энергия функциясы (1h). Потенциалды энергия функциясындағы минимумдар қосқыштың екі күйімен (S0 және S1) байланысты статикалық тепе-теңдікті білдіреді. Осы нақты конфигурация үшін S0 және S1 сәйкесінше u = 48 мм және 58.5 мм орналастыру биіктіктерінде орын алады. S0 нүктесінде ∆E0 және S1 нүктесінде ∆E1 әртүрлі энергетикалық кедергілермен потенциалдық энергия функциясы анық асимметриялық.
Ажыратқыштар базаның осьтік бағытта басқарылатын қозуын қамтамасыз ететін электродинамикалық шайқағышқа орналастырылды. Қозуға жауап ретінде қосқыштың үстіңгі беті тік бағытта тербеледі. Ажыратқыштың үстіңгі бетінің негізге қатысты орналасуы лазерлік виброметрдің көмегімен өлшенді (2а).
№2 сурет
Коммутатордың жергілікті резонанстық жиілігі оның екі күйі үшін S11.8 үшін 0 Гц және S9.7 үшін 1 Гц болатыны анықталды. Екі күй арасындағы ауысуды, яғни шығуды бастау үшін әлеуетті ұңғыма*, 0.05 мс-13 базалық үдеуімен анықталған жиіліктердің айналасында өте баяу (2 Гц/с) екі жақты сызықтық жиілікті сыпыру орындалды. Атап айтқанда, KIMS бастапқыда S0 деңгейінде орналастырылды және жиілікті арттыру 6 Гц-те басталды.
Потенциалды ұңғыма* - бөлшектің потенциалдық энергиясының жергілікті минимумы бар аймақ.
Жоғарыда көрсетілгендей 2bҚозғалыс жиілігі шамамен 7.8 Гц жеткенде, коммутатор S0 потенциалының ұңғымасынан шығып, S1 потенциалының ұңғымасына енеді. Коммутатор S1-де қалуды жалғастырды, өйткені жиілік одан әрі өсті.
Содан кейін қосқыш қайтадан S0 күйіне орнатылды, бірақ бұл жолы төмен қарай жылжыту 16 Гц жиілікте басталды. Бұл жағдайда жиілік 8.8 Гц жақындаған кезде коммутатор S0-ден шығып, S1 потенциалдық ұңғымаға кіреді және қалады.
S0 күйінің 1 мс-7.8 үдеуімен 8.8 Гц [13, 2] белсендіру жолағы бар және S1 - 6...7.7 Гц (2c). Бұдан шығатыны, KIMS бірдей шамадағы, бірақ жиіліктері әртүрлі негізді гармоникалық қозу арқылы екі күй арасында таңдаулы түрде ауыса алады.
KIMS коммутациялық өткізу қабілеттілігі оның потенциалдық энергетикалық функциясының пішініне, демпферлік сипаттамаларға және гармоникалық қоздыру параметрлеріне (жиілік пен шама) күрделі тәуелділікке ие. Сонымен қатар, коммутатордың жұмсартатын сызықтық емес әрекетіне байланысты белсендіру өткізу жолағы міндетті түрде сызықтық резонанстық жиілікті қамтымайды. Сондықтан қосқышты белсендіру картасы әрбір KIMS үшін жеке жасалғаны маңызды. Бұл карта бір күйден екінші күйге және керісінше ауысуға әкелетін қозу жиілігі мен шамасын сипаттау үшін қолданылады.
Мұндай картаны әртүрлі қозу деңгейлерінде жиілікті сыпыру арқылы тәжірибелік түрде жасауға болады, бірақ бұл процесс өте көп еңбекті қажет етеді. Сондықтан ғалымдар осы кезеңде эксперименттер кезінде анықталған потенциалдық энергия функциясын пайдалана отырып, коммутаторды модельдеуге көшуді шешті (1h).
Модель қосқыштың динамикалық әрекетін асимметриялық бистабилді Гельмгольц-Дюффинг осцилляторының динамикасы арқылы жақсы жақындатуға болады деп болжайды, оның қозғалыс теңдеуі келесі түрде өрнектелуі мүмкін:
қайда u — акрилді көпбұрыштың қозғалмалы бетінің бекітілгенге қатысты ауытқуы; m — қосқыштың тиімді массасы; c — тәжірибе арқылы анықталған тұтқыр демпферлік коэффициент; ais — екі тұрақты қалпына келтіру күшінің коэффициенттері; ab және Ω – негізгі шама және үдеу жиілігі.
Модельдеудің негізгі міндеті – екі түрлі күй арасында ауысуға мүмкіндік беретін ab және Ω комбинацияларын орнату үшін осы формуланы пайдалану.
Ғалымдар екі тұрақты осциллятор бір күйден екінші күйге ауысатын критикалық қозу жиіліктерін екі жиілікпен жуықтауға болатынын атап өтті. бифуркациялар*: периодты екі еселенген бифуркация (ПД) және циклдік қатпарлы бифуркация (CF).
Бифуркация* — жүйеге тәуелді болатын параметрлерді өзгерту арқылы оның сапалық өзгеруі.
Жақындауды пайдалана отырып, KIMS жиілік жауап қисықтары оның екі күйінде тұрғызылды. Диаграммада 2е екі түрлі негізгі жеделдету деңгейі үшін S0-де қосқыштың жиілік жауап қисықтарын көрсетеді.
5 мс-2 базалық үдеуде амплитудалық-жиілік қисығы шамалы жұмсартуды көрсетеді, бірақ тұрақсыздық немесе бифуркация болмайды. Осылайша, жиілік қалай өзгерсе де коммутатор S0 күйінде қалады.
Дегенмен, базалық үдеу 13 мс-2-ге дейін жоғарылағанда, қозғалыс жиілігі азайған сайын PD бифуркациясына байланысты тұрақтылық төмендейді.
Сол схеманы қолдана отырып, S1-дегі қосқыштың жиілік жауап қисықтары алынды (2f). 5 мс-2 үдеуде байқалған үлгі өзгеріссіз қалады. Дегенмен, негізгі жеделдету 10 мс дейін артады-2 PD және CF бифуркациялары пайда болады. Осы екі бифуркация арасындағы кез келген жиіліктегі қосқышты қозғау S1-ден S0-ге ауысуға әкеледі.
Модельдеу деректері белсендіру картасында әрбір күйді бірегей жолмен іске қосуға болатын үлкен аймақтар бар екенін көрсетеді. Бұл триггердің жиілігі мен шамасына байланысты екі күй арасында таңдаулы түрде ауысуға мүмкіндік береді. Сондай-ақ екі мемлекет бір уақытта ауыса алатын аймақ бар екенін көруге болады.
№3 сурет
Бірнеше KIMS комбинациясы бірнеше биттен тұратын механикалық жадты құру үшін пайдаланылуы мүмкін. Коммутатордың геометриясын кез келген екі қосқыштың потенциалдық энергия функциясының пішіні жеткілікті түрде әр түрлі болатындай етіп өзгерту арқылы қосқыштардың белсендіру өткізу жолағын олар бір-бірімен қабаттасып қалмайтындай етіп жобалауға болады. Осыған байланысты әрбір қосқышта қозудың бірегей параметрлері болады.
Бұл техниканы көрсету үшін әртүрлі потенциалдық сипаттамалары бар екі қосқыш негізінде 2 разрядты тақта жасалды (3а): бит 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 мм және n = 12; бит 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 мм және n = 12.
Әрбір биттің екі күйі болғандықтан, S00, S01, S10 және S11 барлығы төрт түрлі күйге қол жеткізуге болады (3b). S-дан кейінгі сандар сол (бит 1) және оң (бит 2) қосқыштарының мәнін көрсетеді.
2-биттік қосқыштың әрекеті төмендегі бейнеде көрсетілген:
Осы құрылғының негізінде көп разрядты механикалық жады платаларының негізі бола алатын қосқыштар кластерін де жасауға болады.
Зерттеудің нюанстарымен толығырақ танысу үшін мен қарауды ұсынамын и оған.
Эпилогия
Оригами жасаушылардың ешқайсысы олардың туындыларының қазіргі әлемде қалай қолданылатынын елестете алуы екіталай. Бір жағынан, бұл қарапайым қағаз фигураларында жасырылған күрделі элементтердің үлкен санын көрсетеді; екінші жағынан, қазіргі заманғы ғылым бұл элементтерді мүлдем жаңа нәрсе жасау үшін пайдалануға қабілетті.
Бұл жұмыста ғалымдар Кроеслингтің оригами геометриясын қолдана отырып, кіріс параметрлеріне байланысты екі түрлі күйде болатын қарапайым механикалық қосқышты жасай алды. Мұны ақпараттың классикалық бірліктері болып табылатын 0 және 1 сандарымен салыстыруға болады.
Алынған құрылғылар 2 битті сақтауға қабілетті механикалық жады жүйесіне біріктірілді. Бір әріптің 8 бит (1 байт) алатынын біле отырып, сұрақ туындайды: мысалы, «Соғыс және бейбітшілік» жазу үшін қанша ұқсас оригами қажет болады.
Ғалымдар олардың дамуы тудыруы мүмкін күмәнді жақсы біледі. Алайда, олардың айтуынша, бұл зерттеу механикалық жады саласындағы барлау болып табылады. Сонымен қатар, эксперименттерде қолданылатын оригами үлкен болмауы керек, олардың өлшемдерін олардың қасиеттеріне зиян келтірместен айтарлықтай азайтуға болады.
Қалай болғанда да, бұл жұмысты қарапайым, қарапайым немесе қызықсыз деп атауға болмайды. Ғылым әрқашан белгілі бір нәрсені әзірлеу үшін қолданыла бермейді, ал ғалымдар бастапқыда әрқашан нақты не жасап жатқанын біле бермейді. Өйткені, өнертабыстар мен жаңалықтардың көпшілігі қарапайым сұрақтың нәтижесі болды - егер болса?
Қарағаныңызға рахмет, қызықты болыңыз және баршаңызға демалыс күндеріңіз жақсы өтсін! 🙂
Кішкене жарнама
Бізбен бірге болғандарыңызға рахмет. Сізге біздің мақалалар ұнайды ма? Қызықты мазмұнды көргіңіз келе ме? Тапсырыс беру немесе достарыңызға ұсыну арқылы бізге қолдау көрсетіңіз, , Сіз үшін біз ойлап тапқан бастапқы деңгейдегі серверлердің бірегей аналогы: (RAID1 және RAID10, 24 ядроға дейін және 40 ГБ DDR4 дейін қол жетімді).
Dell R730xd Амстердамдағы Equinix Tier IV деректер орталығында 2 есе арзан ба? Тек осында Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 ГГц 6C 128 ГБ DDR3 2x960 ГБ SSD 1 Гбит/с 100 ТБ - 99 доллардан бастап! туралы оқыңыз
Ақпарат көзі: www.habr.com