"Blade Runner", "Con Air", "Heavy Rain" - çfarë kanë të përbashkët këta përfaqësues të kulturës popullore? Të gjitha, në një shkallë ose në një tjetër, shfaqin artin e lashtë japonez të palosjes së letrës - origami. Në filma, lojëra dhe në jetën reale, origami shpesh përdoret si një simbol i disa ndjenjave, disa kujtimeve ose një mesazh unik. Ky është më shumë një komponent emocional i origami, por nga pikëpamja shkencore, shumë aspekte interesante nga fusha të ndryshme janë të fshehura në figurat e letrës: gjeometria, matematika dhe madje edhe mekanika. Sot do të njihemi me një studim në të cilin shkencëtarët nga Instituti Amerikan i Fizikës krijuan një pajisje për ruajtjen e të dhënave duke palosur/shpalosur figurat e origami. Si funksionon saktësisht një kartë memorie letre, cilat parime zbatohen në të dhe sa të dhëna mund të ruajë një pajisje e tillë? Përgjigjet për këto pyetje do t'i gjejmë në raportin e shkencëtarëve. Shkoni.
Baza e studimit
Është e vështirë të thuhet se kur e ka origjinën saktësisht origami. Por ne e dimë me siguri se jo më herët se 105 pas Krishtit. Pikërisht në këtë vit Cai Lun shpiku letrën në Kinë. Natyrisht, para këtij momenti, letra tashmë ekzistonte, por nuk ishte prej druri, por nga bambu ose mëndafshi. Opsioni i parë nuk ishte i lehtë, dhe i dyti ishte jashtëzakonisht i shtrenjtë. Cai Lun kishte për detyrë të krijonte një recetë të re për letrën që do të ishte e lehtë, e lirë dhe e lehtë për t'u bërë. Detyra nuk është e lehtë, por Cai Lun iu drejtua burimit më popullor të frymëzimit - natyrës. Për një kohë të gjatë ai vëzhgoi grerëzat, shtëpitë e të cilave ishin prej druri dhe fibrash bimore. Tsai Lun kreu shumë eksperimente në të cilat ai përdori një shumëllojshmëri materialesh për letrën e ardhshme (lëvoren e pemëve, hirin dhe madje edhe rrjetat e peshkimit) të përziera me ujë. Masa që rezulton u shtrua në një formë të veçantë dhe u tha në diell. Rezultati i kësaj pune kolosale ishte një objekt prozaik për njeriun modern - letra.
Në vitin 2001, një park me emrin Cai Lun u hap në qytetin e Leiyang (Kinë).
Përhapja e letrës në vendet e tjera nuk ndodhi menjëherë; vetëm në fillim të shekullit të XNUMX-të, receta e saj arriti në Kore dhe Japoni, dhe letra arriti në Evropë vetëm në shekujt XNUMX-XNUMX.
Përdorimi më i dukshëm i letrës është, natyrisht, dorëshkrimet dhe shtypja. Megjithatë, japonezët gjetën një përdorim më elegant për të - origami, d.m.th. figura letre të palosshme.
Një ekskursion i shkurtër në botën e origami dhe inxhinierisë.
Ekziston një larmi e madhe opsionesh origami, si dhe teknikat për t'i bërë ato: origami e thjeshtë, kusudama (modular), palosja e lagësht, origami me model, kirigami, etj. ()
Nga pikëpamja shkencore, origami është një metamaterial mekanik, vetitë e të cilit përcaktohen nga gjeometria e tij, dhe jo nga vetitë e materialit nga i cili është bërë. Është demonstruar për mjaft kohë se struktura të gjithanshme XNUMXD të vendosshme me veti unike mund të krijohen duke përdorur modele origami të përsëritura.
Imazhi numër 1
Në imazh 1b tregon një shembull të një strukture të tillë - një shakull që mund të vendoset, e ndërtuar nga një fletë e vetme letre sipas diagramit në 1a. Nga opsionet e disponueshme të origami, shkencëtarët kanë identifikuar një variant në të cilin zbatohet një mozaik i paneleve identike trekëndore të rregulluara në simetri ciklike, i njohur si origami Kroesling.
Është e rëndësishme të theksohet se strukturat me bazë origami vijnë në dy lloje: të ngurtë dhe jo të ngurtë.
Origami i ngurtë është një strukturë tre-dimensionale në të cilën vetëm palosjet midis paneleve pësojnë deformim gjatë shpalosjes.
Një shembull i dukshëm i origami të ngurtë është Miura-ori, i përdorur për të krijuar metamateriale mekanike me raport negativ Poisson. Një material i tillë ka një gamë të gjerë aplikimesh: eksplorim hapësinor, elektronikë të deformueshme, muskuj artificialë dhe, natyrisht, metamateriale mekanike të riprogramueshme.
Origami jo të ngurtë janë struktura tredimensionale që shfaqin deformim elastik jo të ngurtë të paneleve midis palosjeve gjatë shpalosjes.
Një shembull i një varianti të tillë origami është modeli i përmendur më parë i Kroesling, i cili është përdorur me sukses për të krijuar struktura me shumë-stabilitet, ngurtësi, deformim, zbutje/forcim dhe/ose ngurtësi gati zero.
Rezultatet e studimit
Të frymëzuar nga arti antik, shkencëtarët vendosën të përdorin origami të Kroesling për të zhvilluar një grup çelsash mekanike binar që mund të detyrohen të kalojnë midis dy gjendjeve të ndryshme statike duke përdorur një hyrje të vetme të kontrolluar në formën e një ngacmimi harmonik të aplikuar në bazën e çelësit. .
Siç shihet nga 1b, shakulla është e fiksuar në njërin skaj dhe i nënshtrohet një ngarkese të jashtme në drejtimin x në skajin tjetër të lirë. Për shkak të kësaj, ai i nënshtrohet devijimit dhe rrotullimit të njëkohshëm përgjatë dhe rreth boshtit x. Energjia e grumbulluar gjatë deformimit të shakullit lirohet kur hiqet ngarkesa e jashtme, duke bërë që shakulla të kthehet në formën e saj origjinale.
E thënë thjesht, ne po shikojmë një sustë rrotulluese, fuqia rikuperuese e së cilës varet nga forma e funksionit të energjisë potenciale të shakullit. Kjo nga ana tjetër varet nga parametrat gjeometrikë (a0, b0, γ0) të trekëndëshit të përbërë të përdorur për ndërtimin e shakullit, si dhe nga numri i përgjithshëm (n) i këtyre trekëndëshave (1a).
Për një kombinim të caktuar të parametrave të projektimit gjeometrik, funksioni i energjisë potenciale të shakullit ka një minimum të vetëm që korrespondon me një pikë të qëndrueshme ekuilibri. Për kombinime të tjera, funksioni i energjisë potenciale ka dy minimume që korrespondojnë me dy konfigurime statike statike të shakullit, secila e lidhur me një lartësi të ndryshme ekuilibri ose, si alternativë, devijimin e sustës (Vitet 1). Ky lloj burimi shpesh quhet bistable (video më poshtë).
Në imazh 1d tregon parametrat gjeometrikë që çojnë në formimin e një burimi bistable dhe parametrat që çojnë në formimin e një burimi monostabil për n=12.
Një burim bistable mund të ndalet në një nga pozicionet e tij të ekuilibrit në mungesë të ngarkesave të jashtme dhe mund të aktivizohet për të kaluar ndërmjet tyre kur sasia e duhur e energjisë është e disponueshme. Është kjo veti që është baza e këtij studimi, i cili shqyrton krijimin e ndërprerësve mekanikë Kroesling (KIMS nga Çelësat mekanikë të frymëzuar nga Kresling) me dy gjendje binare.
Në veçanti, siç tregohet në 1c, ndërprerësi mund të aktivizohet për të kaluar midis dy gjendjeve të tij duke furnizuar energji të mjaftueshme për të kapërcyer pengesën potenciale (∆E). Energjia mund të furnizohet në formën e një aktivizimi të ngadaltë pothuajse statik ose duke aplikuar një sinjal harmonik në bazën e çelësit me një frekuencë ngacmimi afër frekuencës rezonante lokale të ndërprerësit në gjendjet e tij të ndryshme të ekuilibrit. Në këtë studim, u vendos që të përdoret opsioni i dytë, pasi funksionimi rezonant harmonik është më i lartë se funksionimi kuazi-statik në disa aspekte.
Së pari, aktivizimi rezonant kërkon më pak forcë për të kaluar dhe në përgjithësi është më i shpejtë. Së dyti, ndërrimi rezonant është i pandjeshëm ndaj shqetësimeve të jashtme që nuk rezonojnë me çelësin në gjendjet e tij lokale. Së treti, meqenëse funksioni i mundshëm i çelësit është zakonisht asimetrik në lidhje me pikën e paqëndrueshme të ekuilibrit U0, karakteristikat e ngacmimit harmonik të kërkuara për kalimin nga S0 në S1 zakonisht janë të ndryshme nga ato që kërkohen për kalimin nga S1 në S0, duke rezultuar në mundësinë e ndërrimi binar i eksitim-selektiv .
Ky konfigurim KIMS është ideal për krijimin e një bordi memorie mekanike me shumë bit duke përdorur çelësa të shumtë binarë me karakteristika të ndryshme të vendosur në një platformë të vetme të drejtuar harmonike. Krijimi i një pajisjeje të tillë është për shkak të ndjeshmërisë së formës së funksionit të energjisë potenciale të ndërprerës ndaj ndryshimeve në parametrat gjeometrikë të paneleve kryesore (1e).
Rrjedhimisht, KIMS të shumta me karakteristika të ndryshme të projektimit mund të vendosen në të njëjtën platformë dhe të ngacmohen për kalimin nga një gjendje në tjetrën, individualisht ose në kombinim duke përdorur grupe të ndryshme parametrash ngacmimi.
Në fazën e testimit praktik u krijua një ndërprerës nga letra me densitet 180 g/m2 me parametra gjeometrikë: γ0 = 26.5°; b0/a0 = 1.68; a0 = 40 mm dhe n = 12. Këto janë parametrat, duke gjykuar nga llogaritjet (1d), dhe çojnë në atë që pranvera që rezulton është e qëndrueshme. Llogaritjet u kryen duke përdorur një model të thjeshtuar të trungut boshtor (strukturës së shufrës) të shakullit.
Duke përdorur një lazer, linjat e shpuara u bënë në një copë letre (1a), të cilat janë vende të palosshme. Më pas u bënë palosjet përgjatë skajeve b0 (të lakuar nga jashtë) dhe γ0 (të lakuara nga brenda), dhe skajet e skajeve të largëta u bashkuan fort. Sipërfaqet e sipërme dhe të poshtme të çelësit janë përforcuar me poligone akrilike.
Kurba e forcës rivendosëse të çelësit është marrë në mënyrë eksperimentale përmes provave të ngjeshjes dhe tërheqjes të kryera në një makinë testuese universale me një konfigurim të veçantë që lejon që baza të rrotullohet gjatë provave (1f).
Skajet e poligonit të çelësit akrilik u fiksuan në mënyrë të ngurtë dhe një zhvendosje e kontrolluar u aplikua në poligonin e sipërm me një shpejtësi të synuar prej 0.1 mm/s. Zhvendosjet në tërheqje dhe shtypje u aplikuan në mënyrë ciklike dhe u kufizuan në 13 mm. Pak përpara testimit aktual të pajisjes, çelësi rregullohet duke kryer dhjetë cikle të tilla ngarkese përpara se forca e rivendosjes të regjistrohet duke përdorur një qelizë ngarkese 50N. Aktiv 1g tregon lakoren e forcës rivendosëse të ndërprerësit të përftuar në mënyrë eksperimentale.
Më pas, duke integruar forcën mesatare të rivendosjes së çelësit në intervalin e funksionimit, funksioni i energjisë potenciale (1h). Minimumi në funksionin e energjisë potenciale përfaqëson ekuilibrat statike të lidhura me dy gjendjet e ndërrimit (S0 dhe S1). Për këtë konfigurim të veçantë, S0 dhe S1 ndodhin në lartësitë e vendosjes u = 48 mm dhe 58.5 mm, respektivisht. Funksioni i energjisë potenciale është qartësisht asimetrik me barriera të ndryshme energjetike ∆E0 në pikën S0 dhe ∆E1 në pikën S1.
Çelësat u vendosën në një shaker elektrodinamik, i cili siguron ngacmim të kontrolluar të bazës në drejtim aksial. Në përgjigje të ngacmimit, sipërfaqja e sipërme e çelësit lëkundet në një drejtim vertikal. Pozicioni i sipërfaqes së sipërme të çelësit në lidhje me bazën u mat duke përdorur një vibrometër lazer (2a).
Imazhi numër 2
U zbulua se frekuenca rezonante lokale e çelësit për dy gjendjet e tij është 11.8 Hz për S0 dhe 9.7 Hz për S1. Për të filluar një tranzicion midis dy gjendjeve, domethënë një dalje nga pus potencial*, një spastrim i frekuencës lineare dydrejtimëshe shumë i ngadaltë (0.05 Hz/s) u krye rreth frekuencave të identifikuara me një nxitim bazë prej 13 ms-2. Në mënyrë të veçantë, KIMS fillimisht u pozicionua në S0 dhe fshirja në rritje e frekuencës filloi në 6 Hz.
Pusi potencial* - rajoni ku ekziston një minimum lokal i energjisë potenciale të grimcave.
Siç shihet më 2bKur frekuenca e drejtimit arrin afërsisht 7.8 Hz, çelësi largohet nga pusi i potencialit S0 dhe hyn në pusin potencial S1. Ndërprerësi vazhdoi të qëndronte në S1 ndërsa frekuenca u rrit më tej.
Ndërprerësi u vendos përsëri në S0, por këtë herë zbritja u nis në 16 Hz. Në këtë rast, kur frekuenca i afrohet 8.8 Hz, ndërprerësi del nga S0 dhe hyn dhe mbetet në pusin potencial S1.
Gjendja S0 ka një brez aktivizimi prej 1 Hz [7.8, 8.8] me një nxitim prej 13 ms-2, dhe S1 - 6...7.7 Hz (Vitet 2). Nga kjo rrjedh se KIMS mund të kalojë në mënyrë selektive midis dy gjendjeve përmes ngacmimit harmonik të një baze me të njëjtën madhësi, por me frekuencë të ndryshme.
Gjerësia e brezit komutues të një KIMS ka një varësi komplekse nga forma e funksionit të tij të energjisë potenciale, karakteristikat e amortizimit dhe parametrat e ngacmimit harmonik (frekuenca dhe madhësia). Për më tepër, për shkak të sjelljes jolineare zbutëse të ndërprerësit, gjerësia e brezit të aktivizimit nuk përfshin domosdoshmërisht frekuencën rezonante lineare. Prandaj, është e rëndësishme që harta e aktivizimit të switch-it të krijohet për çdo KIMS individualisht. Kjo hartë përdoret për të karakterizuar frekuencën dhe madhësinë e ngacmimit që rezulton në kalimin nga një gjendje në tjetrën dhe anasjelltas.
Një hartë e tillë mund të krijohet eksperimentalisht duke fshirë frekuencën në nivele të ndryshme ngacmimi, por ky proces kërkon shumë punë intensive. Prandaj, shkencëtarët vendosën në këtë fazë të kalojnë në modelimin e çelësit, duke përdorur funksionin e energjisë potenciale të përcaktuar gjatë eksperimenteve (1h).
Modeli supozon se sjellja dinamike e ndërprerësit mund të përafrohet mirë nga dinamika e një oshilatori asimetrik bistable Helmholtz-Duffing, ekuacioni i lëvizjes së të cilit mund të shprehet si më poshtë:
ku u - devijimi i faqes së lëvizshme të poligonit akrilik në raport me atë të fiksuar; m — masa efektive e ndërprerësit; c — koeficienti i amortizimit viskoz i përcaktuar eksperimentalisht; ais-koeficientët bistable të forcës rivendosëse; ab dhe Ω janë madhësia bazë dhe frekuenca e nxitimit.
Detyra kryesore e simulimit është të përdorë këtë formulë për të krijuar kombinime të ab dhe Ω që lejojnë kalimin midis dy gjendjeve të ndryshme.
Shkencëtarët vërejnë se frekuencat kritike të ngacmimit në të cilat një oshilator bistable kalon nga një gjendje në tjetrën mund të përafrohet me dy frekuenca bifurkacione*: bifurkacioni i dyfishimit të periudhës (PD) dhe bifurkacioni ciklik i palosjes (CF).
Bifurkacion* — ndryshimi cilësor i sistemit duke ndryshuar parametrat nga të cilët varet.
Duke përdorur përafrimin, kurbat e përgjigjes së frekuencës së KIMS u ndërtuan në dy gjendjet e tij. Në tabelë 2e tregon lakoren e përgjigjes së frekuencës së ndërprerësit në S0 për dy nivele të ndryshme të nxitimit bazë.
Me një nxitim bazë prej 5 ms-2, kurba amplitudë-frekuencë tregon një zbutje të lehtë, por jo paqëndrueshmëri ose bifurkacione. Kështu, ndërprerësi mbetet në gjendjen S0 pavarësisht se si ndryshon frekuenca.
Megjithatë, kur nxitimi bazë rritet në 13 ms-2, qëndrueshmëria zvogëlohet për shkak të bifurkimit të PD ndërsa frekuenca e drejtimit zvogëlohet.
Duke përdorur të njëjtën skemë, u morën kurbat e përgjigjes së frekuencës së ndërprerësit në S1 (2f). Me një nxitim prej 5 ms-2, modeli i vëzhguar mbetet i njëjtë. Megjithatë, ndërsa nxitimi bazë rritet në 10ms-2 Shfaqen bifurkacionet e PD dhe CF. Ngacmimi i ndërprerësit në çdo frekuencë midis këtyre dy bifurkacioneve rezulton në një kalim nga S1 në S0.
Të dhënat e simulimit sugjerojnë se ka rajone të mëdha në hartën e aktivizimit në të cilat çdo gjendje mund të aktivizohet në një mënyrë unike. Kjo ju lejon të kaloni në mënyrë selektive midis dy gjendjeve në varësi të frekuencës dhe madhësisë së këmbëzës. Mund të shihet gjithashtu se ekziston një zonë ku të dy shtetet mund të ndryshojnë njëkohësisht.
Imazhi numër 3
Një kombinim i disa KIMS mund të përdoret për të krijuar një memorie mekanike të disa biteve. Duke ndryshuar gjeometrinë e ndërprerësit në mënyrë që forma e funksionit të energjisë potenciale të çdo dy çelësash të jetë mjaft e ndryshme, është e mundur të dizajnohet gjerësia e brezit të aktivizimit të çelësave në mënyrë që ata të mos mbivendosen. Për shkak të kësaj, çdo ndërprerës do të ketë parametra unikë të ngacmimit.
Për të demonstruar këtë teknikë, një tabelë 2-bitësh u krijua bazuar në dy ndërprerës me karakteristika të ndryshme potenciale (3a): biti 1 - γ0 = 28°; b0/a0 = 1.5; a0 = 40 mm dhe n = 12; biti 2 - γ0 = 27°; b0/a0 = 1.7; a0 = 40 mm dhe n = 12.
Meqenëse çdo bit ka dy gjendje, mund të arrihen gjithsej katër gjendje të ndryshme S00, S01, S10 dhe S11 (3b). Numrat pas S tregojnë vlerën e çelësit të majtë (bit 1) dhe të djathtë (bit 2).
Sjellja e një ndërprerës 2-bit është treguar në videon më poshtë:
Bazuar në këtë pajisje, ju gjithashtu mund të krijoni një grup çelsash, të cilat mund të jenë baza e tabelave mekanike të memories shumë-bit.
Për një kuptim më të detajuar të nuancave të studimit, unë rekomandoj t'i hidhni një sy и atij
epilog
Nuk ka gjasa që ndonjë nga krijuesit e origami të mund të imagjinonte se si do të përdorej krijimi i tyre në botën moderne. Nga njëra anë, kjo tregon një numër të madh elementesh komplekse të fshehura në figura të zakonshme letre; nga ana tjetër, se shkenca moderne është e aftë të përdorë këto elemente për të krijuar diçka krejtësisht të re.
Në këtë punë, shkencëtarët ishin në gjendje të përdorin gjeometrinë e origami të Kroesling për të krijuar një ndërprerës të thjeshtë mekanik që mund të jetë në dy gjendje të ndryshme, në varësi të parametrave të hyrjes. Kjo mund të krahasohet me 0 dhe 1, të cilat janë njësitë klasike të informacionit.
Pajisjet që rezultuan u kombinuan në një sistem memorie mekanike të aftë për të ruajtur 2 bit. Duke ditur që një shkronjë merr 8 bit (1 bajt), lind pyetja: sa origami të ngjashme do të nevojiten për të shkruar "Lufta dhe Paqja", për shembull.
Shkencëtarët janë të vetëdijshëm për skepticizmin që mund të shkaktojë zhvillimi i tyre. Megjithatë, sipas tyre, ky hulumtim është eksplorim në fushën e memories mekanike. Për më tepër, origami i përdorur në eksperimente nuk duhet të jetë i madh; dimensionet e tyre mund të zvogëlohen ndjeshëm pa kompromentuar vetitë e tyre.
Sido që të jetë, kjo punë nuk mund të quhet e zakonshme, banale apo e mërzitshme. Shkenca nuk përdoret gjithmonë për të zhvilluar diçka specifike, dhe shkencëtarët jo gjithmonë e dinë fillimisht se çfarë saktësisht po krijojnë. Në fund të fundit, shumica e shpikjeve dhe zbulimeve ishin rezultat i një pyetjeje të thjeshtë - po sikur?
Faleminderit që lexoni, qëndroni kurioz dhe kaloni një fundjavë të mrekullueshme djema! 🙂
Pak reklamë
Faleminderit që qëndruat me ne. A ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni përmbajtje më interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar miqve, , një analog unik i serverëve të nivelit të hyrjes, i cili u shpik nga ne për ju: (e disponueshme me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 herë më lirë në qendrën e të dhënave Equinix Tier IV në Amsterdam? Vetëm këtu në Holandë! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - nga 99 dollarë! Lexoni rreth
Burimi: www.habr.com