Cuando deforma un material blando como la Masilla Silly, sus propiedades cambian dependiendo de qué tan rápido lo estire y lo exprima. Si deja la masilla en un vaso pequeño, eventualmente se extenderá como un líquido. Si la jala lentamente, se adelgazará y caerá como un caramelo viscoso. Y si tira rápidamente de él, la Masilla Silly se romperá como una barra quebradiza y sólida.
Los científicos usan varios instrumentos para estirar, apretar y torcer materiales blandos para caracterizar con precisión su resistencia y elasticidad. Pero, por lo general, tales experimentos se llevan a cabo secuencialmente, lo que puede llevar mucho tiempo.
Ahora, inspirados por las secuencias de sonido utilizadas por los murciélagos y los delfines en la ecolocación, los ingenieros del MIT han ideado una técnica que mejora enormemente la velocidad y la precisión de la medición de las propiedades de los materiales blandos. La técnica se puede utilizar para probar las propiedades del secado de cemento, coagulación de la sangre o cualquier otro material blando "mutante" a medida que cambian con el tiempo. Los investigadores informan sus resultados en la revista Revisión física X .
"Esta técnica puede ayudar en muchas industrias, [que no] tendrán que cambiar sus instrumentos establecidos para obtener un análisis mucho mejor y preciso de sus procesos y materiales", dice Bavand Keshavarz, un postdoc en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.
"Por ejemplo, este protocolo se puede utilizar para una amplia gama de materiales blandos, desde la saliva, que es viscoelástica y fibrosa, hasta materiales tan rígidos como el cemento", agrega la estudiante graduada Michela Geri. "Todos pueden cambiar rápidamente con el tiempo, y es importante caracterizar sus propiedades de forma rápida y precisa "
Geri y Keshavarz son coautores del artículo, que también incluye a Gareth McKinley, Profesor de la Escuela de Ingeniería de Innovación Docente y profesor de ingeniería mecánica en el MIT; Thibaut Divoux del Laboratorio conjunto CNRS-MIT; Christian Clasen de KU Leuvenen Bélgica y Dan Curtis de la Universidad de Swansea en Gales.
hacia mediciones más rápidas
La nueva técnica del grupo mejora y extiende la señal de deformación capturada por un instrumento conocido como reómetro. Por lo general, estos instrumentos están diseñados para estirar y exprimir un material, de un lado a otro, sobre tensiones pequeñas o grandes, dependiendo de una señal enviadaen forma de un perfil oscilante simple, que le dice al motor del instrumento qué tan rápido o qué tan lejos debe deformar el material. Una frecuencia más alta activa el motor en el reómetro para trabajar más rápido, cortando el material a una velocidad más rápida, mientras que una frecuencia más baja disminuye.esta deformación hacia abajo.
Otros instrumentos que prueban materiales blandos funcionan con señales de entrada similares. Estos pueden incluir sistemas que presionan y retuercen materiales entre dos placas, o que agitan materiales en contenedores, a velocidades y fuerzas determinadas por el perfil de frecuencia que los ingenieros programan en los instrumentos 'motores.
Hasta la fecha, el método más preciso para probar materiales blandos ha sido hacer pruebas secuencialmente durante un período prolongado. Durante cada prueba, un instrumento puede, por ejemplo, estirar o cortar un material en una sola frecuencia baja u oscilación del motory registre su rigidez y elasticidad antes de cambiar a otra frecuencia. Aunque esta técnica produce mediciones precisas, puede llevar horas caracterizar completamente un solo material.
un pitido
En los últimos años, los investigadores han intentado acelerar el proceso de prueba de materiales blandos cambiando la señal de entrada de los instrumentos y comprimiendo el perfil de frecuencia que se envía a los motores.
Los científicos se refieren a este perfil de frecuencia más corto, más rápido y más complejo como un "chirrido", después de la estructura similar de frecuencias que se producen en los campos de radar y sonar, y muy ampliamente, en algunas vocalizaciones de pájaros y murciélagos.el perfil de chirp acelera significativamente una prueba experimental, permitiendo que un instrumento mida en solo 10 a 20 segundos las propiedades de un material en un rango de frecuencias o velocidades que tradicionalmente tomarían aproximadamente 45 minutos.
Pero en el análisis de estas mediciones, los investigadores encontraron artefactos en los datos de chirridos normales, conocidos como efectos de llamada, lo que significa que las mediciones no fueron lo suficientemente precisas: parecían oscilar o "resonar" alrededor de los valores esperados o reales de rigidezy la elasticidad de un material, y estos artefactos parecían provenir del perfil de amplitud del chirrido, que se parecía a un rápido aumento y disminución de las frecuencias de oscilación del motor.
"Esto es como cuando un atleta realiza un sprint de 100 metros sin calentar", dice Keshavarz.
Geri, Keshavarz y sus colegas buscaron optimizar el perfil de chirp para eliminar estos artefactos y, por lo tanto, producir mediciones más precisas, manteniendo el mismo marco de tiempo de prueba corto. Estudiaron señales de chirp similares en campos de radar y sonar, originalmente fueron pioneros enMIT Lincoln Laboratory: con perfiles inspirados originalmente en chirridos producidos por pájaros, murciélagos y delfines.
"Los murciélagos y los delfines envían una señal de chirrido similar que encapsula un rango de frecuencias, por lo que pueden localizar presas rápidamente", dice Geri. "Escuchan lo que [las frecuencias] vuelven a ellos y han desarrollado formas de correlacionar eso conla distancia al objeto. Y tienen que hacerlo muy rápido y con precisión, de lo contrario la presa se escapará "
El equipo analizó las señales de chirp y optimizó estos perfiles en simulaciones por computadora, luego aplicó ciertos perfiles de chirp a su reómetro en el laboratorio. Encontraron que la señal que reducía más el efecto de timbre era un perfil de frecuencia que era tan corto como el convencionalseñal de chirp, de unos 14 segundos de duración, pero que se incrementó gradualmente, con una transición más suave entre las diferentes frecuencias, en comparación con los perfiles de chirp originales que otros investigadores han estado utilizando.
Ellos llaman a esta nueva señal de prueba un "Chirrido de ventana óptima", o OWCh, por la forma resultante del perfil de frecuencia, que se asemeja a una ventana suavemente redondeada en lugar de una rampa ascendente y descendente rectangular y nítida.La nueva técnica ordena a un motor que estire y exprima un material de una manera más gradual y suave.
El equipo probó su nuevo perfil de chirp en el laboratorio en varios líquidos y geles viscoelásticos, comenzando con una solución de polímero estándar de laboratorio que caracterizaron utilizando el método tradicional y más lento, el perfil de chirp convencional y su nuevo perfil OWCh. Descubrieron quesu técnica produjo mediciones que coincidían casi exactamente con las del método preciso pero más lento. Sus mediciones también fueron 100 veces más precisas que lo que produjo el método chirp convencional.
Los investigadores dicen que su técnica se puede aplicar a cualquier instrumento o aparato existente diseñado para probar materiales blandos, y acelerará significativamente el proceso de prueba experimental. También han proporcionado un paquete de software de código abierto que los investigadores e ingenieros pueden usar paraayúdelos a analizar sus datos, para caracterizar rápidamente cualquier material blando y en evolución, desde la coagulación de la sangre y el secado de cosméticos hasta la solidificación del cemento.
"Muchos materiales en la naturaleza y la industria, en los productos de consumo y en nuestros cuerpos, cambian en escalas de tiempo bastante rápidas", dice Keshavarz. "Ahora podemos monitorear la respuesta de estos materiales a medida que cambian, en una amplia gama de frecuencias, y en un corto período de tiempo "
Video: http://www.youtube.com/watch?v=tW3fQHCdxRA&feature=youtu.be
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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