"Blade Runner" ، "Air Prison" ، "Heavy Rain" - ما هو القاسم المشترك بين ممثلي الثقافة الجماهيرية؟ بشكل عام ، هناك فن ياباني قديم لطي الورق - الأوريغامي. في الأفلام والألعاب وفي الحياة الواقعية ، غالبًا ما يتم استخدام الأوريجامي كرمز لمشاعر معينة أو نوع من الذكريات أو نوع من الرسائل. إنه بالأحرى مكون عاطفي للأوريجامي ، ولكن من وجهة نظر العلم ، فإن العديد من الجوانب المثيرة للاهتمام من مختلف الاتجاهات مخفية في الأشكال الورقية: الهندسة والرياضيات وحتى الميكانيكا. نلقي اليوم نظرة على دراسة قام فيها علماء من المعهد الأمريكي للفيزياء بإنشاء جهاز تخزين بيانات عن طريق طي / كشف أشكال الأوريجامي. كيف بالضبط تعمل بطاقة الذاكرة الورقية ،ما هي المبادئ التي يتم تنفيذها فيها وكم البيانات التي يمكن لمثل هذا الجهاز تخزينها؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. اذهب.
من الصعب تحديد متى نشأت الأوريغامي بالضبط. لكننا نعلم على وجه اليقين أنه ليس قبل 105 م. في هذا العام في الصين ، اخترع تساي لون الورق. بالطبع ، حتى هذه النقطة ، كان الورق موجودًا بالفعل ، لكنه لم يكن مصنوعًا من الخشب ، ولكن من الخيزران أو الحرير. لم يكن الخيار الأول سهلاً ، وكان الخيار الثاني مكلفًا للغاية. تم تكليف Tsai Long بابتكار وصفة ورقية جديدة تكون خفيفة ورخيصة وسهلة التحضير. ليست مهمة سهلة ، لكن تساي لون تحولت إلى مصدر الإلهام الأكثر شيوعًا - الطبيعة. لفترة طويلة لاحظ الدبابير ، التي كانت مساكنها مصنوعة من الخشب والألياف النباتية. أجرى تساي لون العديد من التجارب التي استخدم فيها مجموعة متنوعة من المواد للورق المستقبلي (لحاء الشجر والرماد وحتى شباك الصيد) الممزوج بالماء.تم وضع الكتلة الناتجة في شكل خاص وتجفيفها في الشمس. كانت نتيجة هذا العمل الضخم موضوعًا مبتذلًا لشخص عصري - الورق.
في عام 2001 ، تم افتتاح حديقة تحمل اسم Tsai Lun في Leiyang ، الصين.
لم يحدث انتشار الورق إلى بلدان أخرى على الفور ، فقط في بداية القرن السابع وصلت وصفته إلى كوريا واليابان ، ولم يصل الورق إلى أوروبا إلا في القرنين الحادي عشر والثاني عشر.
أكثر استخدامات الورق وضوحا ، بالطبع ، في كل من المخطوطات والطباعة. ومع ذلك ، وجد اليابانيون تطبيقًا أكثر أناقة لذلك - أوريغامي ، أي شخصيات ورقية قابلة للطي.
رحلة قصيرة إلى عالم الأوريجامي والهندسة.
هناك عدد كبير جدًا من خيارات الأوريغامي ، بالإضافة إلى تقنيات صنعها: اوريغامي بسيط ، كوسوداما (معياري) ، طي رطب ، اوريغامي نمط ، كيريجامي ، إلخ. ( الدليل الأساسي لأوريجامي )
من وجهة نظر العلم ، فإن الأوريجامي عبارة عن مادة ميكانيكية خارقة تحدد خصائصها هندستها ، وليس خصائص المادة التي صنعت منها. لقد ثبت منذ فترة طويلة أن الهياكل ثلاثية الأبعاد القابلة للنشر ذات الخصائص الفريدة يمكن إنشاؤها باستخدام أنماط الأوريغامي المتكررة.
الصورة رقم 1
في الصورة 1 بيتم عرض مثال على مثل هذا الهيكل - منفاخ قابل للنشر ، مبني من ورقة واحدة وفقًا للمخطط في 1 أ . من خيارات الأوريجامي المتاحة ، حدد العلماء خيارًا يقوم بتنفيذ فسيفساء من الألواح المثلثة المتطابقة المرتبة في تناظر دوري ، والمعروفة باسم أوريغامي Cresling.
من المهم ملاحظة أن الهياكل القائمة على الأوريغامي من نوعين: جامدة وغير صلبة.
الأوريجامي الجامد عبارة عن هياكل ثلاثية الأبعاد يتم فيها تشوه الطيات بين الألواح فقط أثناء الانفتاح.
يعد Miura-ori مثالًا رئيسيًا على الأوريجامي الصلب ، ويستخدم لإنشاء مواد ميكانيكية خارقة ذات نسبة بواسون سلبية. هذه المادة لها مجموعة واسعة من التطبيقات: استكشاف الفضاء ، والإلكترونيات المشوهة ، والعضلات الاصطناعية ، وبالطبع المواد الخارقة الميكانيكية المعاد برمجتها.
الأوريجامي غير الصلب عبارة عن هياكل ثلاثية الأبعاد تظهر تشوهًا مرنًا غير صلب للألواح بين الطيات أثناء النشر.
مثال على هذا الاختلاف في الأوريغامي هو نمط Cresling المذكور سابقًا ، والذي تم استخدامه بنجاح لإنشاء هياكل ذات قابلية تعدد قابلة للتخصيص ، وصلابة ، تشوه ، تليين / تصلب ، و / أو صلابة شبه معدومة.
نتائج البحث
مستوحى من فن قديم ، قرر العلماء استخدام اوريغامي Kresling لتطوير مجموعة من المفاتيح الثنائية الميكانيكية التي يمكن إجبارها على التبديل بين حالتين ثابتتين مختلفتين باستخدام إدخال الإثارة التوافقي المتحكم فيه المطبق على قاعدة المفتاح.
كما هو موضح في 1 ب ، يتم تأمين المنفاخ في أحد طرفيه وتخضع لحمل خارجي في الاتجاه x في الطرف الآخر الحر. ونتيجة لذلك ، فإنه يخضع لانحراف وتدوير متزامنين على طول المحور السيني وحوله. يتم تحرير الطاقة المتراكمة أثناء تشوه المنفاخ عند إزالة الحمل الخارجي ، مما يؤدي إلى عودة الخوار إلى شكلها الأصلي.
ببساطة ، نرى زنبرك التواء الالتواء ، وتعتمد قدرته على الاستعادة على شكل وظيفة الطاقة الكامنة للمنفاخ. وهذا بدوره يعتمد على المعلمات الهندسية (أ 0 ، ب 0 ، γ 0 ) للمثلث المركب المستخدم لبناء الخوار ، بالإضافة إلى العدد الإجمالي (ن) لهذه المثلثات ( 1 أ ).
بالنسبة لمجموعة معينة من المعلمات الهندسية للهيكل ، فإن دالة الطاقة الكامنة للمنفاخ لها حد أدنى واحد يتوافق مع نقطة توازن ثابتة واحدة. بالنسبة للتركيبات الأخرى ، تحتوي وظيفة الطاقة الكامنة على حد أدنى ، يتوافقان مع تكوينين مستقرين من المنفاخ الثابت ، يرتبط كل منهما بارتفاع توازن مختلف أو ، بدلاً من ذلك ، انحراف نابض ( 1 ج ). غالبًا ما يسمى هذا النوع من الربيع ثنائي الاستقرار (الفيديو أدناه).
توضح الصورة 1 د المعلمات الهندسية التي تؤدي إلى تكوين زنبرك ثنائي الاستقرار والمعلمات التي تؤدي إلى تكوين زنبرك أحادي الاستقرار لـ n = 12.
يمكن أن يتوقف الزنبرك ثنائي الاستقرار في أحد مواضع التوازن الخاصة به في حالة عدم وجود أحمال خارجية ويمكن تنشيطه للتبديل بينهما عند توفر الكمية المناسبة من الطاقة. هذه الخاصية هي أساس هذه الدراسة ، التي تستكشف إنشاء مفاتيح ميكانيكية مستوحاة من Kresling (KIMS ) مع حالتين ثنائيتين.
على وجه الخصوص ، كما هو موضح في 1 ج، يمكن تنشيط المفتاح للانتقال بين حالتيه من خلال توفير طاقة كافية للتغلب على الحاجز المحتمل (∆E). يمكن توفير الطاقة على شكل تشغيل بطيء شبه ثابت أو عن طريق تطبيق إشارة توافقية على قاعدة المحول بتردد إثارة قريب من تردد الرنين المحلي للمفتاح في حالات توازنه المختلفة. في هذه الدراسة تقرر استخدام الخيار الثاني ، حيث أن استجابة الرنين التوافقي في بعض المعلمات تتجاوز الاستجابة شبه الساكنة.
أولاً ، يتطلب تشغيل الرنين جهد تبديل أقل ويكون أسرع بشكل عام. ثانيًا ، لا يتأثر التبديل الرنيني بالاضطرابات الخارجية التي لا يتردد صداها مع المفتاح في حالاته المحلية. ثالثًا ، نظرًا لأن وظيفة التبديل المحتملة عادةً ما تكون غير متماثلة حول نقطة التوازن غير المستقرة U0 ، فإن خصائص الإثارة التوافقية المطلوبة للتبديل من S0 إلى S1 تختلف عادةً عن تلك المطلوبة للتبديل من S1 إلى S0 ، مما يؤدي إلى إمكانية التبديل الثنائي الانتقائي للإثارة. ...
يعد تكوين KIMS هذا مثاليًا لإنشاء لوحة ذاكرة ميكانيكية متعددة البتات باستخدام مفاتيح ثنائية متعددة ذات خصائص مختلفة على نفس النظام الأساسي المتناسق. يرجع إنشاء مثل هذا الجهاز إلى حساسية شكل وظيفة الطاقة الكامنة للمفتاح للتغييرات في المعلمات الهندسية للوحات الرئيسية ( 1e ).
وبالتالي ، يمكن وضع العديد من KIMS بخصائص تصميم مختلفة على نفس النظام الأساسي ومتحمسًا للانتقال من حالة إلى أخرى بشكل فردي أو معًا باستخدام مجموعات مختلفة من معلمات الإثارة.
خلال مرحلة الاختبار العملي ، تم إنشاء المفتاح من الورق بكثافة 180 جم / م 2 .مع المعلمات الهندسية: γ 0 = 26.5 درجة ؛ ب 0 / أ 0 = 1.68 ؛ أ 0 = 40 مم و ن = 12. هذه هي المعلمات ، إذا حكمنا من خلال الحسابات ( 1 د ) ، وتؤدي إلى حقيقة أن الزنبرك الناتج سيكون ثابتًا. تم إجراء الحسابات باستخدام نموذج مبسط للجمالون المحوري (هيكل قضبان) منفاخ.
باستخدام الليزر ، تم عمل خطوط مثقبة ( 1 أ ) على ورقة ، وهي أماكن الطي. ثم تم عمل الطيات على طول الحواف ب 0 (منحنية للخارج) و 0 (منحنية إلى الداخل) ، وكانت الأطراف البعيدة متصلة بإحكام. تم تقوية الأسطح العلوية والسفلية للمفتاح بمضلعات أكريليك.
تم الحصول على منحنى قوة الاستعادة للمفتاح بشكل تجريبي من خلال اختبارات الضغط والشد التي أجريت على آلة اختبار عالمية مع إعداد خاص يسمح بتدوير القاعدة أثناء الاختبارات ( 1f ).
تم تثبيت نهايات مضلع التبديل الأكريليكي بشكل صارم ، وتم تطبيق إزاحة محكومة على المضلع العلوي بمعدل محدد مسبقًا يبلغ 0.1 مم / ثانية. تم تطبيق عمليات إزاحة الشد والضغط بشكل دوري ومحدودة إلى 13 ملم. مباشرة قبل الاختبار الفعلي للجهاز ، يتم تكوين القاطع عن طريق إجراء عشر دورات تحميل قبل أن يتم تسجيل قوة الاستعادة بواسطة خلية تحميل 50N. في 1 جراميوضح منحنى قوة الاستعادة للمفتاح التي تم الحصول عليها تجريبياً.
بعد ذلك ، بدمج متوسط قوة الاستعادة للمفتاح على مدى التشغيل ، تم حساب دالة الطاقة الكامنة ( 1 ساعة ). الحد الأدنى في دالة الطاقة الكامنة هو توازن ثابت مرتبط بحالتين من مفاتيح التبديل (S0 و S1). بالنسبة لهذا التكوين الخاص ، يحدث S0 و S1 عند ارتفاعات النشر u = 48 مم و 58.5 مم ، على التوالي. من الواضح أن وظيفة الطاقة الكامنة غير متماثلة مع حواجز طاقة مختلفة ∆E 0 عند النقطة S0 و ∆E 1 عند النقطة S1.
تم وضع المفاتيح على شاكر إلكتروديناميكي يوفر إثارة متحكم فيها للقاعدة في الاتجاه المحوري. استجابة للإثارة ، يتأرجح السطح العلوي للمفتاح عموديًا. تم قياس موضع السطح العلوي للمفتاح بالنسبة للقاعدة باستخدام مقياس اهتزاز الليزر ( 2 أ ).
الصورة رقم 2
وجد أن تردد الرنين المحلي للمحول لحالتيه هو 11.8 هرتز لـ S0 و 9.7 هرتز لـ S1. لبدء الانتقال بين الحالتين ، أي الخروج من البئر المحتمل * ، تم إجراء مسح بطيء جدًا للتردد الخطي ثنائي الاتجاه (0.05 هرتز / ثانية) حول الترددات المحددة مع تسارع أساسي قدره 13 مللي ثانية -2... على وجه التحديد ، كان موقع KIMS في البداية عند S0 وبدأ مسح التردد الإضافي عند 6 هرتز.
البئر المحتمل * - منطقة يوجد فيها حد أدنى محلي من الطاقة الكامنة للجسيم.كما هو موضح في 2 ب ، عندما يصل تردد الإثارة إلى حوالي 7.8 هرتز ، يخرج المفتاح من البئر المحتمل S0 ويدخل البئر المحتمل S1. استمر المفتاح في البقاء عند S1 مع زيادة التردد بشكل أكبر.
تم ضبط المفتاح بعد ذلك على S0 مرة أخرى ، ولكن هذه المرة بدأ المسح لأسفل عند 16 هرتز. في هذه الحالة ، عندما يقترب التردد من 8.8 هرتز ، يخرج المفتاح من S0 ويدخل ويبقى في البئر المحتمل S1.
حالة S0 لها نطاق تنشيط 1 هرتز [7.8 ، 8.8] مع تسارع 13 مللي ثانية -2 ، و S1 - 6 ... 7.7 هرتز ( 2 ثانية ). ويترتب على ذلك أن KIMS يمكنه التبديل بشكل انتقائي بين الحالتين بسبب الإثارة التوافقية للقاعدة بنفس الحجم ولكن بتردد مختلف.
عرض النطاق الترددي للتبديل KIMS له اعتماد معقد على شكل وظيفة الطاقة الكامنة الخاصة به ، وخصائص التخميد ومعلمات الإثارة التوافقية (التردد والحجم). بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لسلوك التليين غير الخطي للمفتاح ، لا يشتمل عرض نطاق التنشيط بالضرورة على تردد الطنين الخطي. وبالتالي ، من المهم إنشاء خريطة تنشيط التبديل لكل KIMS على حدة. تُستخدم هذه الخريطة لوصف تواتر وحجم الإثارة ، مما يؤدي إلى التحول من حالة إلى أخرى والعكس صحيح.
يمكن إنشاء مثل هذه الخريطة بشكل تجريبي عن طريق كنس التردد على مستويات مختلفة من الإثارة ، ولكن هذه العملية شاقة للغاية. لذلك ، قرر العلماء في هذه المرحلة الانتقال إلى نمذجة المحول باستخدام وظيفة الطاقة الكامنة التي تم تحديدها أثناء التجارب ( ساعة واحدة ).
يفترض النموذج أن السلوك الديناميكي للمفتاح يمكن تقريبه جيدًا بواسطة ديناميكيات مذبذب Helmholtz - Duffing غير المتماثل ثنائي الاستقرار ، ويمكن التعبير عن معادلة الحركة على النحو التالي:
حيث u هو انحراف الحافة المتحركة لمضلع أكريليك بالنسبة إلى المضلع الثابت ؛ م هي الكتلة الفعالة للمفتاح ؛ ج - معامل التخميد اللزج المحدد تجريبياً ؛ أi s - معاملات ثنائية الاستقرار لقوة الاستعادة ؛ أ ب و - القيمة الأساسية وتردد التسارع.
تتمثل المهمة الرئيسية للنمذجة في استخدام هذه الصيغة لإنشاء مجموعات من a b و ، مما يسمح بالتبديل بين حالتين مختلفتين.
يلاحظ العلماء أن ترددات الإثارة الحرجة التي ينتقل فيها المذبذب ثنائي الاستقرار من حالة إلى أخرى يمكن تقريبها من خلال ترددين تشعبين * : فترة مضاعفة التشعب (PD) والتشعب الدوري (CF)
التشعب * - تغيير نوعي في النظام عن طريق تغيير المعلمات التي يعتمد عليها.باستخدام التقريب ، تم رسم منحنيات استجابة التردد لنظام KIMS في حالتين من حالاته. يوضح الرسم البياني 2e منحنيات استجابة التردد للمفتاح في S0 لمستويين مختلفين من تسريع الخط الأساسي.
عند تسارع أساسي قدره 5 مللي ثانية -2 ، يظهر منحنى AFC تليين طفيفًا ، ولكن لا يوجد عدم استقرار أو تشعبات. وبالتالي ، يظل المفتاح في حالة S0 ، بغض النظر عن كيفية تغير التردد.
ومع ذلك ، عند زيادة التسارع الأساسي إلى 13 مللي ثانية -2 ، يتدهور الاستقرار بواسطة تشعب PD حيث يتم تقليل تردد المحرك.
تم استخدام نفس الدائرة للحصول على منحنيات استجابة التردد للمفتاح في S1 ( 2f ). في 5ms تسارع-2 تظل الصورة المرصودة كما هي. ومع ذلك ، مع زيادة التسارع الأساسي إلى 10 مللي ثانية -2 ، تظهر تشعبات PD و CF. ينتج عن إثارة المفتاح عند أي تردد بين هذين التشعبين التبديل من S1 إلى S0.
تشير بيانات المحاكاة إلى وجود مناطق شاسعة في خريطة التنشيط يمكن من خلالها تنشيط كل حالة بطريقة فريدة. يسمح هذا بالتبديل الانتقائي بين الحالتين اعتمادًا على تردد وحجم المشغل. يمكنك أيضًا رؤية أن هناك منطقة يمكن فيها تبديل كلتا الحالتين في نفس الوقت.
الصورة رقم 3
يمكن استخدام مزيج من عدة KIMS لإنشاء ذاكرة ميكانيكية من عدة وحدات بت. من خلال تغيير هندسة المفتاح بحيث يكون شكل وظيفة الطاقة الكامنة لأي مفتاحين مختلفين بشكل كافٍ ، يمكن تصميم عرض النطاق الترددي للتنشيط للمفاتيح بحيث لا تتداخل. نتيجة لذلك ، سيكون لكل مفتاح معلمات محرك فريدة.
لإثبات هذه التقنية ، تم إنشاء لوحة 2 بت على أساس محولين لهما خصائص محتملة مختلفة ( 3 أ ): البتة 1 - γ 0 = 28 ° ؛ ب 0 / أ 0 = 1.5 ؛ أ 0 = 40 مم و ن = 12 ؛ بت 2 - γ 0 = 27 درجة ؛ ب 0 / أ 0= 1.7 ؛ a 0 = 40 مم و n = 12.
نظرًا لأن كل بتة لها حالتان ، يمكن تحقيق إجمالي أربع حالات مختلفة S00 و S01 و S10 و S11 ( 3b ). تشير الأرقام بعد S إلى قيمة المفتاحين الأيسر (بت 1) واليمين (بت 2).
يظهر سلوك مفتاح 2 بت في الفيديو أدناه:
على أساس هذا الجهاز ، يمكنك أيضًا إنشاء مجموعة من المفاتيح ، والتي يمكن أن تكون أساس بطاقات الذاكرة الميكانيكية متعددة البتات.
لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.
الخاتمة
بالكاد يمكن لأي من مبتكري الأوريجامي أن يتخيل كيف سيتم استخدام إبداعاتهم في العالم الحديث. من ناحية أخرى ، يتحدث هذا عن عدد كبير من العناصر المعقدة المخبأة في الأشكال الورقية العادية ؛ من ناحية أخرى ، فإن العلم الحديث قادر على استخدام هذه العناصر لإنشاء شيء جديد تمامًا.
في هذا العمل ، كان العلماء قادرين على استخدام هندسة الأوريغامي في Cresling لإنشاء مفتاح ميكانيكي بسيط ، قادر على أن يكون في حالتين مختلفتين ، اعتمادًا على معلمات الإدخال. يمكن مقارنة ذلك بـ 0 و 1 ، وهما الوحدات الكلاسيكية للمعلومات.
تم دمج الأجهزة الناتجة في نظام ذاكرة ميكانيكي قادر على تخزين 2 بت. مع العلم أن حرفًا واحدًا يحتل 8 بت (1 بايت) ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو - كم عدد الأوريغامي المتشابهة التي ستكون مطلوبة لكتابة "الحرب والسلام" ، على سبيل المثال.
يدرك العلماء جيدًا الشكوك التي يمكن أن يولدها تطورهم. ومع ذلك ، وفقًا لكلماتهم الخاصة ، فإن هذا البحث هو استكشاف في مجال الذاكرة الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب ألا تكون الأوريغامي المستخدمة في التجارب كبيرة ؛ يمكن تقليل أبعادها بشكل كبير دون تدهور خصائصها.
مهما كان الأمر ، لا يمكن تسمية هذا العمل بأنه عادي أو تافه أو ممل. لا يُستخدم العلم دائمًا لتطوير شيء محدد ، ولا يعرف العلماء دائمًا في البداية ما الذي يبدعونه. بعد كل شيء ، كانت معظم الاختراعات والاكتشافات نتيجة سؤال بسيط - ماذا لو؟
شكرًا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة يا شباب! :)
قليلا من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابية للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 بسعة تصل إلى 40 جيجابايت).
هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14C 64 جيجا بايت DDR4 4x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تلفزيون من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع استخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟