استخوان اسب، ایده ای جدید برای سازه های هواپیما
تاریخ: 6 دسامبر 2002
منبع:دانشگاه فلوریدا
خلاصه: اسب، یک مدل کلاسیک از لطف و سرعت در خشکی، اکنون منبع بعید الهام برای پرواز کارآمدتر است. گروهی از مهندسان دانشگاه فلوریدا می‌گویند که بخشی از یک استخوان منحصربه‌فرد در پای اسب را با نگاهی به مواد سبک‌تر و قوی‌تر برای هواپیماها و فضاپیماها بازسازی کرده‌اند.

GAINESVILLE، فلوریدا — اسب، یک مدل کلاسیک از لطف و سرعت در خشکی، اکنون منبع بعید الهام برای پرواز کارآمدتر است.

گروهی از مهندسان دانشگاه فلوریدا می‌گویند که بخشی از یک استخوان منحصربه‌فرد در پای اسب را با نگاهی به مواد سبک‌تر و قوی‌تر برای هواپیماها و فضاپیماها بازسازی کرده‌اند.

استخوان متاکارپ سوم در پای اسب بیشتر نیرویی را که در حین حرکت حیوان منتقل می شود پشتیبانی می کند. یک طرف استخوان به اندازه خیار سوراخی به اندازه یک نخود دارد که در آن رگ های خونی وارد استخوان می شوند. سوراخ ها به طور طبیعی سازه ها را ضعیف می کنند و باعث می شوند که در هنگام اعمال فشار، راحت تر از سازه های جامد شکسته شوند. با این حال، در حالی که متاکارپ سوم، به‌ویژه در اسب‌های مسابقه، شکسته می‌شود، در نزدیکی سوراخ نمی‌شکند – حتی زمانی که استخوان تحت آزمایش‌های استرس آزمایشگاهی قرار می‌گیرد.

محققان مهندسی UF فکر می کنند دلیل آن را فهمیده اند – و صفحه ای ساخته اند و در حال آزمایش هستند که استحکام عجیب استخوان را به شکلی که بالقوه برای هواپیماها و فضاپیماها مفید است تقلید می کند.

اندرو راپوف، استادیار مهندسی هوافضا و مکانیک و محقق اصلی این پروژه، می‌گوید: «حفره‌ها منبع کلاسیک شکست در ساختارهای مهندسی‌شده هستند، اما طبیعت راهی برای دور زدن آن در این استخوان پیدا کرده است». “ما راه حل طبیعت را تقلید می کنیم.”

محققان حداقل پنج مقاله در مورد کار خود منتشر کرده اند که به مدت سه سال با کمک 675000 دلار کمک مالی ناسا انجام داده اند. اخیراً از آنها دعوت شد تا مقاله ای را برای شماره ویژه مجله بیومکانیک ارسال کنند تا سال آینده منتشر شود.

هواپیماها دارای سوراخ هایی برای سیم کشی، سوخت و خطوط هیدرولیک هستند. سوراخ‌های مشابه در قایق‌ها، ساختمان‌ها، اتومبیل‌ها، خانه‌ها و تقریباً هر سازه دیگری که عملکردی فراتر از پناه دادن یا نگه داشتن چیزی دارد، رایج است. مهندسان معمولاً ضعف های ناشی از این سوراخ ها را با افزایش ضخامت مواد اطراف آن ها جبران می کنند. استفان کوین، استاد برجسته مهندسی مکانیک و مدیر مرکز مهندسی بیومدیکال نیویورک در کالج شهر نیویورک، گفت: در یک مثال کلاسیک، کشتی‌سازان مواد اضافی را در اطراف سوراخ‌های بدنه به منظور محافظت در برابر ضعف یا شکست ساختاری اضافه می‌کنند.

راپوف گفت که کاستی این رویکرد این است که وزن اضافه می کند، مشکلی برای هواپیماها و فضاپیماهایی که باید تا حد امکان سبک باشند. قانون کلی در صنعت هوافضا این است که کاهش وزن هواپیما به میزان یک پوند باعث صرفه جویی 10 پوندی در سوخت می شود، بنابراین تکنیک هایی برای حفظ استحکام هواپیما بدون افزودن وزن به شدت مورد نیاز است. او گفت که این به ویژه برای فضاپیماهایی که هزینه های پرتاب بسیار بالایی دارند، صادق است.

مهندسان ساختار استخوان اسب را در اطراف سوراخ – یا سوراخ – با میکروسکوپ و میکرورادیوگرافی تجزیه و تحلیل کردند، تکنیک هایی که جزئیات ترکیب میکروسکوپی آن را نشان می دهد. آنها اطلاعات به دست آمده را به معادلاتی تبدیل کردند که خواص مکانیکی استخوان را توصیف می کند – به عنوان مثال، تبدیل چگالی معدنی و تخلخل استخوان به معادله ای که سفتی آن را توصیف می کند. سپس مهندسان یک مدل کامپیوتری ساختند که رفتار استخوان را در شرایط استرس تقلید می‌کند و با آزمایش آن در برابر آزمایش‌های آزمایشگاهی استخوان، دقت مدل را ثابت می‌کند.

نتیجه تجزیه و تحلیل آنها: استخوان به گونه ای پیکربندی شده بود که بیشترین تنش ها را از سوراخ به ناحیه ای با استحکام بالاتر می برد. به عنوان مثال، موقعیت استئون‌های آن، یا واحدهای ساختاری ایجاد شده در ابتدای رشد استخوان، باعث ایجاد استرس در اطراف سوراخ شد.

مهندسان از آنالیزها و مدل کامپیوتری خود برای ایجاد یک “صفحه بیومیمتیک” با سوراخی که توسط چندین درجه مختلف از فوم پلی یورتان احاطه شده است برای تقلید ساختار ترکیبی استخوان در نزدیکی سوراخ استفاده کردند. Biomimetics روند مهندسی رو به افزایش تقلید از راه حل های طبیعی در مواد ساخته شده توسط انسان را توصیف می کند.

محققان این صفحه را با قرار دادن آن بر روی دو ستون عمودی و وزن کردن آن آزمایش کردند و نتایج را با نتایج آزمایش یکسان صفحه با سوراخ حفر شده بدون تثبیت کننده فوم مقایسه کردند. برای شکستن صفحه بیومیمتیک دو برابر وزن لازم بود. علاوه بر این، هنگامی که در نهایت شکست، شکستگی مانند صفحه با سوراخ حفر شده از سوراخ عبور نکرد.

باربارا گاریتا، دانشجوی کارشناسی ارشد UF، اخیراً کار را یک قدم جلوتر برده است. گاریتا، یکی از چندین دانشجوی کارشناسی ارشد و دکترا که روی این پروژه کار می‌کنند، نشان داده است که فورامن در استخوان طبیعی قوی‌تر از سوراخ حفر شده است، زمانی که بخش‌های نازک استخوان تحت فشار مکرر در طول زمان قرار می‌گیرند. محققان مهندسی قصد دارند صفحه بیومیمتیک را در معرض شرایط تنش چرخه‌ای مشابهی قرار دهند که در زندگی واقعی رایج است، برای مثال زمانی که یک قایق امواج را می‌کوبد یا یک هواپیما تلاطم مکرر را تجربه می‌کند. گاریتا گفت: “ما با استفاده از این استخوان بسیاری از مشکلات را حل خواهیم کرد.”

Rapoff و Cowin گفتند که برنامه های کاربردی برای این تحقیق به عنوان تکنیک های تولید برای ایجاد محصولات com رشد خواهند کرد

با درجات مختلف مواد بهبود می یابد.

کوین گفت: “ما قادر خواهیم بود مواد را با ماشین آلات مدرن به روشی بسیار زیبا بسازیم که به ما امکان می دهد خواص را مانند طبیعت تغییر دهیم.” و افزود که محققان دانشگاه فلوریدا تنها محققانی هستند که او از آنها آگاه است. بررسی مسئله با استفاده از روش بیومیمتیک

راپوف گفت که نسخه‌های اصلی به اصطلاح «مواد درجه‌بندی شده عملکردی» قبلاً در هواپیماها و فضاپیماها استفاده می‌شود، به عنوان مثال، در بال‌های ساخته شده از موادی که در یک الگوی لانه زنبوری قرار گرفته‌اند و با فلز پوشانده شده‌اند. نسخه های آینده الگوی لانه زنبوری را با درجه بندی های پیوسته از مواد با ترکیب متفاوت جایگزین خواهند کرد. او گفت که اگر فلپ یا سایر عناصر سازه ساخته شده با چنین موادی نیاز به سوراخ داشته باشد، منطقی است که از تحقیقات UF بر روی سوراخ استخوان اسب استفاده کنیم.

او گفت: «ما به دنیا گفته‌ایم که اینطوری سوراخ‌ها را برای حداقل وزن و حداکثر استحکام طراحی می‌کنید». اکنون این بر عهده طراحان و تولیدکنندگان است که این گونه چیزها را بسازند.