Zeker wel, het zijn gemengde metaforen, maar net zoals modelleren een nauwkeurige schatting is van processen in de echte wereld, zo ook verbale verklaringen van dergelijke genuanceerde rekenkunde. Trisha Sain, universitair docent werktuigbouwkunde, verkent meerschalige natuurkunde door na te denken over de LEGO-stenen in haar woonkamer, de ramen van wolkenkrabbers en koken een feestmaal.

Voordat we onze noedels afgieten, laten we een basis leggen voor de studie van composietmaterialen. Composieten zijn gemaakt van meerdere materialen die verschillende mechanische en chemische eigenschappen combineren, en idealiter zijn dergelijke microstructuurcombinaties een win-winsituatie voor het maximaliseren van gewenste eigenschappen. Maar combinaties zorgen voor meer complexiteit, vooral wanneer ze worden blootgesteld aan extreme omgevingen.

Bijvoorbeeld, Sain's onderzoek kijkt naar vezelversterkte polymeercomposieten voor de Amerikaanse luchtmacht. De materialen moeten bestand zijn tegen nat, warmte, koud en misschien een paar ontploffingen. "Deze materialen kunnen zulke extremen aan, "zei ze. "Het probleem is dat, zoals alle materialen, ze verouderen. We bestuderen die degradatie."

Dat brengt ons terug bij spaghetti. Sain zei het gedrag van composieten te begrijpen en hoe ze op wind reageren, regenen, koude en andere omgevingsfactoren is als het ontwarren van een kom spaghettinoedels. polymeren, die lange koolstofketens zijn, wikkel en draai rond net als gekookte pasta. Hoewel de specifieke chemie en mechanische eigenschappen van composieten bekend zijn, Sain wil weten wat er gebeurt als de noedels saus ontmoeten:hoe de polymeren interageren met omgevingsfactoren zoals lucht of warmte of hun afwezigheid.

En, net zoals we geen gerecht "noedels-tomaten-basilicum-en-oregano" bestellen in een restaurant, composieten in de echte wereld worden niet gebruikt of beoordeeld op hun microstructurele ingrediënten. Om composieten spaghetti te begrijpen, Sain bestudeert het gerecht als geheel en test elk materiaal op meerdere schalen en maakt prototypes van hele apparaten. Om te modelleren hoe deze materialen in de loop van de tijd afbreken, ze moet een heel feest van berekeningen samenstellen - van de noedels van de ketens van een polymeer, op de plaat van een paneel, tot het buffet van een hele machine.

"Dus, ons doel is om de juiste fysica op elke schaal vast te leggen en de informatie op een consistente manier van de ene lengteschaal naar de andere over te dragen, " zei Sain. Om dit te doen, is een soort wiskundige homogenisatie nodig die 'on-the-fly'-berekeningen worden genoemd, ze legde uit. "Kunnen we deze kenmerken vastleggen met een modelleringskader dat soepel over de ene schaal naar de andere gaat? Omdat het niet alleen een andere lengteschaal is, het is een andere fysica, en elk van deze fysieke processen kan op een andere tijdschaal plaatsvinden."

Een andere manier waarop Sain uitlegt hoe haar modellen meerdere schalen beslaan, is door aan LEGO-stenen te denken. De blokken passen op specifieke manieren in elkaar, en sommige passen beter bij elkaar dan andere, afhankelijk van het ontwerp.

"Maar als je probeert een heel campusgebouw te maken van LEGO's, je krijgt problemen, " zei Sain. Op grotere schaal, de fysica en het materiële gedrag veranderen. In termen van modelarchitectuur, on-the-fly homogenisatie zorgt ervoor dat de berekeningen van het model verschuiven van het tellen van vensterbanken, om het raam te bekijken, om vervolgens rekening te houden met de hele muur met al zijn ramen. Ter vergelijking, eenvoudiger discrete modellen moeten harde grenzen gebruiken tussen vensterbank-/raam-/muurberekeningen.

"In principe, ons doel was niet om snel de schalen te snijden, maar ze continu te doorlopen, Sain zei. "We doen een statistische mechanische systeembenadering binnen de polymeerlengteschaal - de vensterlengteschaal - maar proberen nog steeds in gedachten te houden dat de statistische en mechanische beschrijvingen van wat we ook berekenen van toepassing moeten zijn op de grotere lengte - de wandschaal."

Zulke sierlijke glijdingen tussen schalen, ongeacht of het materiaal noodle-y is, plastic, glasbeglazing of vezelversterkt, Sain in staat stellen om composietdegradatie met meer gemak en minder geld te voorspellen en te beoordelen dan traditionele experimenten.