Плащ-невидимка Гарри Поттера, который идеально направляет световые волны вокруг объектов, чтобы сделать их невидимыми, когда-либо станет реальностью, еще неизвестно, но усовершенствовать более важный плащ невозможно, говорится в новом исследовании. Он идеально управлял бы волнами напряжения в земле, такими как те, которые исходят от взрыва, вокруг таких объектов, как здания, чтобы сделать их «неприкосновенными».
Несмотря на то, что десятки теоретических работ по «эластодинамической» маскировке вызывают большие сомнения, авторы нового исследования из Технологического института Джорджии не считают, что инженеры-строители должны полностью отказаться от этого, просто от идеи идеального плащ. Ограниченная маскировка все же может повысить степень защиты конструкций, особенно от некоторых волн напряжения, характерных для землетрясений.
"С маскировкой предполагается, что если вы получаете какую-либо волну напряжения с любого направления, плащ должен быть в состоянии скрыть объект от нее. Теперь мы видим, что это невозможно", сказал главный исследователь Араш Явари, профессор Школы гражданского и экологического проектирования Технологического института Джорджии и Школы машиностроения Джорджа Вудраффа. «Но для большого класса возмущений, а именно возмущений в плоскости, вы, вероятно, могли бы разработать хорошую маскировку».
При землетрясении возмущения в плоскости представляют собой сейсмические волны, которые следуют по плоским и широким - или плоским - траекториям через поверхность Земли.
Явари и соавтор Ашкан Голгун, аспирант-исследователь, обучающийся у Явари, опубликовали свое исследование в журнале Archive for Rational Mechanics and Analysis, ведущем журнале по теоретической механике твердого тела, 16 мая 2019 года. Исследование финансировалось Армейским исследовательским бюро.
Плащ мечты
Мечта о маскировке, позволяющей направлять волны стресса мимо конструкции, как будто ее вообще нет, имеет много общего с мечтой о плаще-невидимке, который будет преломлять свет - электромагнитные волны - вокруг объекта, а затем указывать на него с другой стороны.
Световые волны, попадающие в глаз зрителя, показывают, что находится за объектом, но не сам объект. В эластодинамической маскировке волны не электромагнитные, а механические, движущиеся по земле. Гипотетически маскировка объекта полностью изолирует его от волн.
В сценарии защиты, скажем, ядерного реактора от любых волн напряжения, распространяющихся по земле, будь то стихийное бедствие или техногенное бедствие, в идеале инженеры-строители могли бы опустить основание реактора в отверстие ниже поверхность земли. Они построили вокруг него защитный цилиндр или полусферическую подземную чашу из специальных материалов, чтобы направлять волны напряжения по кругу.
Есть мечты, а есть результаты исследования.
"Мы доказали, что форма плаща не имеет значения, будь то сферическая или цилиндрическая, вы не можете полностью замаскироваться", - сказал Явари.
Ошибочная аналогия
Много теории и математики из электромагнитной (световой) маскировки было перенесено в исследования эластодинамической маскировки, и некоторые из первых, кажется, бросили гаечный ключ во второе.
«Многие аналогии из других областей полезны, но эластичность добавляет множество физических факторов, которых нет в электромагнетизме», - сказал Явари. «Например, баланс углового момента нарушается в большей части исследовательской литературы.
Угловой момент - это свойство вращательного движения массы, и оно устойчиво к изменениям. Многие люди испытывали угловой момент, наклоняя вращающийся гироскоп и наблюдая, как он упрямо движется по неожиданному пути.
Хоть это и волна, свет - это фотоны, не имеющие массы. Волны напряжения, с другой стороны, проходят через материю - в частности, через твердую материю, а не через жидкость или газ - и это добавляет к уравнению ключевую динамику реального мира.
Эта динамика также влияет на ту дыру, которая скрывает объект. Без него волны напряжений распространяются через среду довольно равномерно, но с ним напряжения концентрируются вокруг отверстия и нарушают аккуратную геометрию волновых структур.
Римский плащ?
Что делать? Хоть плащ. Если идеального решения не существует, придумайте несовершенное.
"Математика говорит, что маскировка невозможна в строгом смысле этого слова. Когда вы это понимаете, вы не теряете время понапрасну", - сказал Явари. «Вы формулируете проблемы, которые оптимизируются с учетом того, что вы знаете о целевых напряжениях или нагрузках, от которых вы хотите защитить».
Инженеры могли бы защититься от серьезных землетрясений, если бы они использовали материалы, которые были специально предварительно напряжены, обладали определенными упругими свойствами и распределением плотности, которые подробно описаны в исследовании. Плащ из реальной жизни может не соответствовать идеалу, но все же быть великолепным.
"Если вместо 100 процентов волновой энергии я чувствую только 10 или 20 процентов, это очень важно, потому что инженерия не преследует абсолютных идеалов", - сказал Явари.
Даже древние римляне, печально известные своей математической фобией, по-видимому, непреднамеренно встроили сейсмические плащи в свои конструкции амфитеатров, согласно отчету в MIT Technology Review. Их сходство с современными экспериментальными маскировочными устройствами, возможно, помогло сохранить их в течение 2000 лет в сейсмически активных регионах.
Новое исследование также рассмотрело популярную в гражданском строительстве идею о том, что строительство с использованием семейства материалов, микроструктура которых делает их «телами Коссера», может обеспечить идеальную маскировку. Авторы пришли к выводу, что это также не может работать. В исследовании не рассматривались так называемые метаматериалы, которые привлекли внимание к перенаправлению, в частности, световых волн.