Of het nu gaat om de onzichtbaarheidsmantel van Harry Potter, die lichtgolven perfect rond objecten stuurt om ze onzichtbaar te maken, ooit werkelijkheid zal worden, valt nog te bezien, maar het perfectioneren van een meer cruciale mantel is onmogelijk, een nieuwe studie zegt. Het zou stressgolven in de grond perfect hebben gestuurd, zoals die afkomstig zijn van een ontploffing, rond objecten zoals gebouwen om ze 'onaanraakbaar' te maken.

Ondanks het feit dat tientallen theoretische artikelen over "elastodynamische" verhulling in twijfel worden getrokken, de auteurs van de nieuwe studie van het Georgia Institute of Technology vinden niet dat civiel ingenieurs het volledig moeten opgeven, alleen op het idee van een ideale mantel. Beperkte verhulling kan nog steeds een mate van bescherming aan structuren toevoegen, vooral tegen sommige spanningsgolven die vaak voorkomen bij aardbevingen.

"Met verhulling, er is deze verwachting dat als je een spanningsgolf krijgt uit welke richting dan ook, een mantel zou het object ervoor moeten kunnen verbergen. We zien nu dat het niet mogelijk is, " zei hoofdonderzoeker Arash Yavari, een professor aan de Georgia Tech's School of Civil and Environmental Engineering en aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Maar voor een grote klasse van verstoringen, namelijk de storingen in het vliegtuig, je zou waarschijnlijk een goede mantel kunnen ontwerpen."

Bij een aardbeving, verstoringen in het vlak zijn seismische golven die langs platte en brede of vlakke paden door het aardoppervlak lopen.

Yavari en co-auteur Ashkan Golgoon, een afgestudeerde onderzoeksassistent die bij Yavari studeert, publiceerden hun studie in het tijdschrift Archief voor Rationele Mechanica en Analyse , een toonaangevend tijdschrift over theoretische vaste mechanica, op 16 mei, 2019. Het onderzoek werd gefinancierd door het Army Research Office.

De droommantel

De droom van verhulling om stress te sturen, golft langs een structuur alsof het er niet eens is, heeft veel gemeen met de droom van een onzichtbaarheidsmantel, die licht - elektromagnetische golven - rond een object zou buigen en het vervolgens naar de andere kant zou wijzen.

De lichtgolven die het oog van de kijker raken, zouden onthullen wat zich achter het object bevindt, maar niet het object zelf. Bij elastodynamische verhulling, de golven zijn niet elektromagnetisch maar mechanisch, door de grond bewegen. Hypothetisch, het object verhullen zou het volledig isoleren van de golven.

In een scenario om te beschermen, zeggen, een kernreactor tegen eventuele spanningsgolven die door de grond reizen, hetzij door een natuurlijke of door de mens veroorzaakte ramp, ideaal, civiel ingenieurs zouden de basis van de reactor in een gat onder het grondoppervlak kunnen laten zakken. Ze zouden er een beschermende cilinder of een halfbolvormige ondergrondse kom omheen bouwen met speciale materialen om de spanningsgolven rond de cirkel te sturen.

Er zijn dromen, dan zijn er de bevindingen van het onderzoek.

"We hebben bewezen dat de vorm van de mantel er niet toe doet, bolvormig of cilindrisch, je kunt je niet helemaal verhullen, ' zei Yavari.

De verkeerde analogie

Veel theorie en wiskunde van elektromagnetische (licht) verhulling is overgebracht naar onderzoek naar elastodynamische verhulling, en sommige van de eerste lijken een sleutel in de laatste te hebben gegooid.

"Vele keren, analogieën uit andere velden zijn nuttig, maar elasticiteit voegt meerdere fysieke factoren toe die je niet hebt in elektromagnetisme, " zei Yavari. "Bijvoorbeeld, de balans van impulsmoment wordt in veel van de onderzoeksliteratuur geschonden.

Impulsmoment is een eigenschap van massa in roterende beweging, en het is bestand tegen veranderingen. Veel mensen hebben een impulsmoment ervaren door een draaiende gyroscoop te kantelen en te kijken hoe deze koppig een onverwacht pad afdaalt.

Ook al is het een golf, licht is fotonen, die geen massa hebben. Stressgolven, anderzijds, reizen door de materie - in het bijzonder, vaste materie in tegenstelling tot vloeistof of gas - en dat voegt een cruciale real-world dynamiek toe aan de vergelijking.

Die dynamiek heeft ook invloed op dat gat dat het object verbergt. Zonder het, de spanningsgolven reizen vrij gelijkmatig door een medium, maar daarmee spanningen concentreren zich rond het gat en verpesten de nette geometrie van de golfpatronen.

De Romeinse mantel?

Wat te doen? Mantel sowieso. Als de ideale oplossing niet bestaat, maak een onvolmaakte.

"De wiskunde zegt dat cloaking niet mogelijk is in de strikte zin. Als je dat begrijpt, je verspilt geen tijd, " Zei Yavari. "Je formuleert problemen die optimaliseren met wat je weet rond gerichte spanningen of belastingen waartegen je je wilt beschermen."

Ingenieurs kunnen beschermen tegen belangrijke aardbevingen als ze materialen gebruiken die specifiek voorgespannen zijn, hebben bepaalde elastische eigenschappen en verdeling van dichtheden die in de studie worden beschreven. Een echte mantel kan niet aan een ideaal voldoen en toch geweldig zijn.

"Als ik in plaats van 100 procent van de golfenergie maar 10 of 20 procent voel, het is een groot probleem, want techniek is geen streven naar absolute idealen, ' zei Yavari.

Zelfs de oude Romeinen, notoir wiskunde-fobisch, lijken per ongeluk seismische mantels te hebben gebouwd in hun ontwerp van amfitheaters, volgens een rapport in MIT Technology Review. Hun gelijkenis met moderne experimentele verhulapparaten heeft er mogelijk toe bijgedragen dat ze twee jaar bewaard zijn gebleven. 000 jaar in seismisch actieve gebieden.

De nieuwe studie onderzocht ook een populair idee in de civiele techniek dat bouwen met een familie van materialen die een microstructuur hebben waardoor ze "Cosserat-vaste stoffen" zijn, perfecte verhulling mogelijk zou kunnen maken. De auteurs concludeerden dat dit ook niet kan werken. De studie hield geen rekening met zogenaamde metamaterialen, die aandacht hebben gekregen voor het omleiden van met name lichtgolven.