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科学家提出新的物理规则来定位孔板流量计

作者: 来源: 发布时间:2019-10-09 15:25:30

    最近,来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的三位科学家在解决一个起源于伽利略的物理问题时,提出了一种新的理论,即如何迫使薄片符合“几何上不相容的”形状的新方法,类似于礼品包装。篮球-取决于将几何学和力学的两个基本概念交织在一起,长期以来人们认为这是不相容的。

    理论物理学家Benny Davidovitch,高分子科学家Greg Grason和博士生Sun Yiwei在《美国国家科学院院刊》上撰文,提出并通过数值模拟证明,被迫改变其曲率的自然平板可以通过形成微观皱纹来容纳几何所需的孔板流量计弯曲板材而不是将板材拉伸到断裂点,这种解决方案也消耗更少的能量。

    他们描述,随着生物技术人员越来越多地尝试操纵符合人体复杂,弯曲和3D形状的薄膜中的孔板流量计水平,例如在用于个性化健康监测的柔性和可穿戴传感器中,这一进展至关重要。这些装置中的许多装置取决于膜的电性能,该电性能显示出极易拉伸,但是可以忍受一定程度的弯曲。

    Davidovitch说,新概念是“ 足够接近 ”的概念-弯曲所产生的不合格现象非常小,以至于在实际情况下,它们几乎不消耗任何能量。他们指出:“通过提供管理孔板流量计,预测孔板流量计和控制孔板流量计的有效策略,我们提供了一种新的定量工具,该工具对于人们预测将纳米薄片和壳体压花或包裹在不同形状的基板上所需的力非常有用。”

    他补充说:“我们的工作表明,通过使包装纸上出现细小皱纹,所需的拉伸量会急剧下降。对于像实验室今天使用的极薄的包装纸,拉伸几乎可以完全消除。”

 

 

孔板流量计.jpg

    Davidovitch说,有两种类型的研究人员着迷于这个长期存在的问题,一种是受实用性驱动,而不是受自然法则应用的驱动。他描述说,这些思想家熟悉“伽利略的光束”,这是一个力学/物理问题,想象到光束从石墙上伸出来,会在增加重量时变形或弯曲。预测其上的力量和压力构成了一个古老的难题。

    他观察到,伽利略没有解决光束将变形多少或如何预言的问题,但后来与变形有关的问题由德国数学家和物理学家卡尔·弗里德里希·高斯通过新的方法对连续物体的几何形状进行了研究和定义。戴维多维奇(Davidovitch)说,物理学家和数学家“几个世纪以来一直将许多智力活动集中于此。”

    Davidovitch说,在伽利略之后,瑞士数学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)提出了“弹性理论”,该理论声称密闭物体会弯曲,以避免孔板流量计,即长度发生任何变化。欧拉证明,在特殊条件下完全不会发生拉伸的情况会发生,但在高斯的几何约束所界定的一般约束类型中则不会发生。

    UMass Amherst团队的新工具演示了在无法无缝满足但几乎满足约束的情况下,如何找到最合适的物理形状或状态。Davidovitch说:“这是变分演算的新分支。” “我需要做的就是最小化几乎消除所有拉伸的曲率,这让我找到了具有最小弯曲能量的弯曲。”

    他们提出了一种新的原理,即高斯-欧拉弹性,它调和了早期由欧拉和高斯的著作定义的古典力学和几何学的两个基石。Grason强调说,他们提出了一种解决薄体多面体形态的新方法,这是从材料工程和生物物理学到应用数学的近期强烈关注的问题。

    他回忆说:“当我们第一次开始这方面的研究时,我们没有想到结果会怎样。我们并没有试图解决这个问题。”不过,博士生孙,跑了几个计算机模拟,交付的挑战天真的假设,约束需要更多的能量来拉伸比弯曲片结果。Davidovitch说,他和Grason预测的公式“不可能 ”,“ 它们似乎违反了基本几何定理。”

    他们失败了两年,直到他们回忆起伽利略的光芒,戴维多维奇称之为“思想矛盾”,重新构筑了问题。它一直是“非常满意”,以提供一个新的概念工具来之前并不存在这个问题,他说。

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