science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe vloeibaar lichaamspantser werkt

Oude kogelvrije vesten hebben veel gemeen met moderne kogelvrije vesten. Beide bieden bescherming tegen wapens maar zijn zwaar, omvangrijk en inflexibel.

Het basisidee achter kogelvrije kleding is in de afgelopen paar duizend jaar niet veel veranderd. Eerst, harnas voorkomt dat wapens of projectielen het lichaam van een persoon bereiken. Tweede, het verspreidt de energie van het wapen, zodat de uiteindelijke impact minder schade veroorzaakt. Hoewel het niet in elke situatie effectief is, bepantsering kan over het algemeen mensen helpen beschermen tegen ernstig letsel of de dood, vooral tegen de juiste wapens.

Door de jaren heen, mensen moesten sterkere en geavanceerdere bepantsering ontwikkelen om te beschermen tegen steeds geavanceerdere wapens. Echter, ondanks deze verbeteringen, moderne kogelvrije vesten hebben nog steeds enkele van dezelfde tekortkomingen als oude vormen van pantser. Of het nu gemaakt is van metalen platen of lagen stof, pantser is vaak zwaar en omvangrijk. Veel soorten zijn stijf, dus ze zijn onpraktisch voor gebruik op wapens, benen en nek. Om deze reden, middeleeuwse harnassen hadden openingen en verbindingen om mensen in staat te stellen zich te verplaatsen, en de kogelvrije vesten die tegenwoordig worden gebruikt, beschermen vaak alleen het hoofd en de romp.

Een van de nieuwste soorten kogelvrije vesten, Hoewel, is zowel flexibel als lichtgewicht. Gek genoeg, deze verbetering komt van de toevoeging van vloeistof aan bestaande pantsermaterialen. Hoewel het niet helemaal klaar is voor de strijd, laboratoriumonderzoek suggereert dat vloeibare kogelvrije vesten het potentieel hebben om een ​​goede vervanging of aanvulling te zijn op grotere vesten. Eventueel, soldaten, politieagenten en anderen kunnen het misschien gebruiken om hun armen en benen te beschermen.

De twee primaire typen vloeibare kogelvrije vesten die momenteel in ontwikkeling zijn, beginnen beide met een basis van: DuPont Kevlar , vaak gebruikt in kogelvrije vesten. Als een kogel of een granaatscherf een Kevlar-vest raakt, de materiaallagen verspreiden de impact over een groot oppervlak. De kogel rekt ook de Kevlar-vezels, energie verbruiken en vertragen in het proces. Het concept is vergelijkbaar met wat er gebeurt wanneer een auto-airbag de impact spreidt en de beweging van het bovenlichaam van een persoon vertraagt ​​tijdens een botsing.

Hoewel Kevlar een stof is, Kevlar-pantser beweegt of valt niet zoals kleding dat doet. Er zijn tussen de 20 en 40 lagen Kevlar nodig om een ​​kogel te stoppen, en deze stapel lagen is relatief stijf. Het is ook zwaar - een vest alleen weegt vaak meer dan 10 pond (4,5 kilogram), zelfs zonder keramische inzetstukken voor extra bescherming.

Twee verschillende vloeistoffen, echter, kan ervoor zorgen dat Kevlar-pantser veel minder lagen gebruikt, waardoor het lichter en flexibeler wordt. Beiden hebben één ding gemeen:ze reageren sterk op een stimulus. Volgende, we zullen kijken waar deze vloeistoffen van gemaakt zijn en waarom ze reageren zoals ze doen.

Afschuifverdikkende vloeistof

Afschuifverdikkende vloeistof gebruikt voor vloeibare kogelvrije vesten Foto door Sgt. Lorie Jewell / met dank aan het Amerikaanse leger

De term "vloeibare kogelvrije vesten" kan een beetje misleidend zijn. Voor sommige mensen, het doet denken aan het idee van bewegende vloeistof die is ingeklemd tussen twee lagen vast materiaal. Echter, beide typen vloeibare bepantsering in ontwikkeling werken zonder een zichtbare vloeistoflaag. In plaats daarvan, ze gebruiken Kevlar dat is gedrenkt in een van de twee vloeistoffen.

De eerste is een afschuifverdikkende vloeistof (STF) , die zich als een vaste stof gedraagt ​​wanneer deze mechanische spanning ondervindt of scheren . Met andere woorden, het beweegt als een vloeistof totdat een object het krachtig raakt of schudt. Vervolgens, het hardt uit in een paar milliseconden. Dit is het tegenovergestelde van a afschuifverdunnende vloeistof , zoals verf, dat dunner wordt als het wordt geschud of geschud.

Je kunt zien hoe afschuifverdikkende vloeistof eruitziet door een oplossing van bijna gelijke delen maizena en water te onderzoeken. Als je het langzaam roert, de stof beweegt als een vloeistof. Maar als je het raakt, het oppervlak stolt abrupt. Je kunt er ook een bal van vormen, maar als je stopt met het uitoefenen van druk, de bal valt uit elkaar.

Hier is hoe het proces werkt. De vloeistof is een colloïde , gemaakt van kleine deeltjes gesuspendeerd in een vloeistof. De deeltjes stoten elkaar een beetje af, zodat ze gemakkelijk door de vloeistof drijven zonder samen te klonteren of naar de bodem te zakken. Maar de energie van een plotselinge impact overweldigt de afstotende krachten tussen de deeltjes -- ze plakken aan elkaar, massa's vormen genaamd hydroclusters . Wanneer de energie van de impact verdwijnt, de deeltjes beginnen elkaar weer af te stoten. De hydroclusters vallen uit elkaar, en de ogenschijnlijk vaste stof verandert in een vloeistof.

Voor de botsing, de deeltjes in afschuifverdikkende vloeistof zijn in een evenwichtstoestand. Na impact, ze klonteren samen, vaste structuren vormen.

De vloeistof die in kogelvrije vesten wordt gebruikt, is gemaakt van: silica deeltjes gesuspendeerd in polyethyleenglycol . Silica is een bestanddeel van zand en kwarts, en polyethyleenglycol is een polymeer dat gewoonlijk wordt gebruikt in laxeermiddelen en smeermiddelen. De silicadeeltjes hebben een diameter van slechts enkele nanometers, zoveel rapporten beschrijven deze vloeistof als een vorm van nanotechnologie.

Om vloeibare kogelvrije vesten te maken met behulp van schuifverdikkende vloeistof, onderzoekers verdunnen de vloeistof eerst in ethanol. Ze verzadigen de Kevlar met de verdunde vloeistof en plaatsen deze in een oven om de ethanol te verdampen. De STF doordringt dan de Kevlar, en de Kevlar-strengen houden de met deeltjes gevulde vloeistof op zijn plaats. Wanneer een object de Kevlar raakt of steekt, de vloeistof hardt onmiddellijk uit, waardoor de Kevlar sterker wordt. Het uithardingsproces gebeurt in slechts milliseconden, en het pantser wordt daarna weer flexibel.

Bij laboratoriumtesten, STF-behandelde Kevlar is zo flexibel als gewoon, of netjes, Kevlar. Het verschil is dat het sterker is, dus bepantsering met STF vereist minder lagen materiaal. Vier lagen STF-behandelde Kevlar kunnen dezelfde hoeveelheid energie dissiperen als 14 lagen zuivere Kevlar. In aanvulling, STF-behandelde vezels rekken niet zo ver uit bij impact als gewone vezels, wat betekent dat kogels niet zo diep doordringen in het pantser of het onderliggende weefsel van een persoon. De onderzoekers theoretiseren dat dit komt omdat het meer energie kost voor de kogel om de STF-behandelde vezels uit te rekken.

Kevlar behandeld na inslag van een kogel Foto met dank aan het Amerikaanse leger/fotograaf Sgt.Lorie Jewell

Onderzoek naar op STF gebaseerde vloeibare kogelvrije vesten is aan de gang in het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger en de universiteit van Delaware. Onderzoekers van het MIT, anderzijds, onderzoeken een andere vloeistof voor gebruik in kogelvrije vesten. We zullen hun onderzoek hierna bekijken.

Het langzame mes dringt door het schild

Op STF gebaseerde kogelvrije vesten hebben parallellen in de wereld van sciencefiction. In het universum van Frank Herberts "Dune, " een apparaat dat een Holtzman-generator wordt genoemd, kan een beschermend schild produceren. Alleen objecten die met lage snelheden bewegen, kunnen dit schild binnendringen. Evenzo, langzaam bewegende objecten zinken door schuifverdikkende vloeistof zonder dat deze uithardt. Bij lage snelheid, of quasi-statisch , mes testen, een mes kan zowel zuivere Kevlar als STF-behandelde Kevlar doordringen. Echter, de STF-behandelde Kevlar loopt iets minder schade op, mogelijk omdat de vloeistof ervoor zorgt dat de vezels aan elkaar plakken.

Magnetorheologische vloeistof

Bij blootstelling aan een magnetisch veld, de deeltjes in magnetorheologische vloeistof zijn uitgelijnd langs de veldlijnen.

De andere vloeistof die Kevlar-pantser kan versterken, is: magnetorheologische (MR) vloeistof . MR-vloeistoffen zijn: oliën die gevuld zijn met ijzer deeltjes. Vaak, oppervlakteactieve stoffen omringen de deeltjes om ze te beschermen en te helpen ze in de vloeistof te laten zweven. Typisch, de ijzerdeeltjes maken tussen 20 en 40 procent van het volume van de vloeistof uit.

De deeltjes zijn klein, meten tussen 3 en 10 micron. Echter, ze hebben een krachtig effect op de consistentie van de vloeistof. Bij blootstelling aan een magnetisch veld, de deeltjes staan ​​op een rij, de vloeistof drastisch verdikken. De term "magnetorheologisch" komt van dit effect. Reologie is een tak van de mechanica die zich richt op de relatie tussen kracht en de manier waarop een materiaal van vorm verandert. De kracht van magnetisme kan zowel de vorm als de viscositeit van MR-vloeistoffen veranderen.

Het uithardingsproces duurt ongeveer twintigduizendste van een seconde. Het effect kan sterk variëren, afhankelijk van de samenstelling van de vloeistof en de grootte, vorm en sterkte van het magnetische veld. Bijvoorbeeld, MIT-onderzoekers begonnen met bolvormige ijzerdeeltjes, die langs elkaar heen kunnen glippen, zelfs in aanwezigheid van het magnetische veld. Dit beperkt hoe hard het pantser kan worden, dus onderzoeken onderzoekers andere deeltjesvormen die mogelijk effectiever zijn.

Net als bij STF, u kunt zien hoe MR-vloeistoffen eruit zien met gewone items. IJzervijlsel vermengd met olie zorgt voor een goede weergave. Als er geen magnetisch veld aanwezig is, de vloeistof beweegt gemakkelijk. Maar door de invloed van een magneet kan de vloeistof dikker worden of een andere vorm aannemen dan die van de houder. Soms, het verschil is visueel zeer dramatisch, waarbij de vloeistof kenmerkende pieken vormt, troggen en andere vormen. Kunstenaars hebben zelfs magneten en MR-vloeistoffen of soortgelijke ferrovloeistoffen gebruikt om kunstwerken te maken.

Met de juiste combinatie van dichtheid, deeltjesvorm en veldsterkte, MR-vloeistof kan veranderen van een vloeistof in een zeer dikke vaste stof. Net als bij afschuifverdikkende vloeistof, deze verandering zou de sterkte van een harnas drastisch kunnen vergroten. De truc is om de toestandsverandering van de vloeistof te activeren. Aangezien magneten die groot genoeg zijn om een ​​heel pak te beïnvloeden, zwaar en onpraktisch zouden zijn om mee te nemen, onderzoekers stellen voor om kleine circuits te maken die door het pantser lopen.

Magnetorheologische vloeistof voor en na blootstelling aan een magnetisch veld

Zonder stroom door de draden, het pantser zou zacht en flexibel blijven. Maar bij het omdraaien van de knop, elektronen zouden beginnen te bewegen door de circuits, het creëren van een magnetisch veld in het proces. Dit veld zou ervoor zorgen dat het pantser onmiddellijk verstijft en verhardt. Door de schakelaar weer in de uit-stand te zetten, stopt de stroom, en het pantser zou weer flexibel worden.

Naast het sterker maken, aansteker, flexibeler pantser, weefsels die zijn behandeld met afschuifverdikkende en magnetorheologische vloeistoffen kunnen ook andere toepassingen hebben. Bijvoorbeeld, dergelijke materialen kunnen bomdekens creëren die gemakkelijk op te vouwen en te dragen zijn en toch omstanders kunnen beschermen tegen explosies en granaatscherven. Behandelde springschoenen kunnen hard worden bij een botsing of wanneer ze worden geactiveerd, bescherming van de laarzen van parachutisten. De uniformen van gevangenisbewakers zouden uitgebreid gebruik kunnen maken van technologie voor vloeibare bepantsering, vooral omdat de wapenbewakers het meest waarschijnlijk botte voorwerpen en zelfgemaakte messen zijn.

Echter, de technologieën hebben een paar voor- en nadelen. Hier is een overzicht:

Geen van beide soorten bepantsering is helemaal klaar voor gebruik op het slagveld. STF-behandeld Kevlar-pantser zou tegen het einde van 2007 beschikbaar kunnen zijn [Bron:Business Week]. MR-vloeistof heeft mogelijk nog vijf tot tien jaar ontwikkeling nodig voordat het kogels consequent kan stoppen. [Bron:Science Central]. Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over militaire technologie, kogelvrije vesten en aanverwante onderwerpen.

Andere toepassingen voor MR-vloeistoffen

MR-vloeistoffen hebben tal van toepassingen naast het versterken van kogelvrije vesten. Hun vermogen om vrijwel onmiddellijk van vloeistoffen naar halfvaste stoffen te veranderen, maakt ze nuttig voor het dempen van schokken en trillingen in items zoals:

  • Auto schokdempers
  • Wasmachines
  • Prothetische ledematen
  • Bruggen

Omdat het onmiddellijk en omkeerbaar van vorm kan veranderen, het kan ook worden gebruikt om scrollende brailleleesregels of herconfigureerbare mallen te maken.

Lees verder

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Ontploffingsbestendige kledingquiz
  • Hoe de Future Force Warrior werkt
  • Hoe Body Armour werkt
  • Hoe exoskeletten werken
  • Hoe machinegeweren werken
  • Hoe granaten werken
  • Hoe Flintlock-geweren werken
  • Hoe Kracht, Stroom, Koppel en energiewerk
  • Hoe slimme structuren werken
  • Hoe bruggen werken
  • Hoe werkt kogelvrij glas?
  • Wat doet traangas?

Meer geweldige links

  • UGA HyperFysica
  • Magnetorheologische vloeistof
  • Universiteit van Delaware:afschuifverdikkende vloeibare stof
  • MIT:Hatsopoulos Microfluids Laboratory
  • Onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger

bronnen

  • Baard, Erik. "Ruimte-tijdperk Goop Morphs tussen vloeibaar en vast." Space.com. 5-9-2001 (26-02-2007). http://www.space.com/businesstechnology/technology/ mr_materials_010905-1.html
  • "Body Armor Geschikt voor een superheld." Werkweek. 8/7/2006 (26/02/2007). http://www.businessweek.com/magazine/content/06_32/b3996068.htm
  • Gladek, Eva. "Vloeibaar pantser." WetenschapsCentraal Nieuws. 15-6-2006 (26-02-2007). http://www.sciencentral.com/articles/view.php3?type=article &article_id=218392807
  • johnson, Tonya. "Leger wetenschappers, Ingenieurs ontwikkelen vloeibare kogelvrije vesten." Military.com. 21/4/2004 (26/02/2007). http://www.military.com/NewsContent/0, 13319, usa3_042104.00.html
  • johnson, Tonya. "ARL-wetenschappers en ingenieurs ontwikkelen vloeibaar pantser op basis van nanotechnologie." Redcom Magazine. 2/2004. (26/2007) http://www.rdecom.army.mil/rdemagazine/200402/itl_arl_liquidarmor.html
  • Lee, YS et al. "Geavanceerde lichaamsbescherming met behulp van afschuifverdikkende vloeistoffen." 27-02-2007 http://www.che.udel.edu/research_groups/wagner/website/awards_files/ ADVANCED%20BODY%20ARMOR%20UTILIZING%20SHEAR %20THICKENING%20FLUIDS-Army%20conference%202002.pdf
  • HEER Maatschappij. "Toepassingen." (26/02/2007). http://www.lord.com/tabid/3358/Default.aspx
  • Dol zijn op, Lonnie J. "Ferrofluïde." AccessScience @ McGraw-Hill. Laatst gewijzigd 27-10-2006. (27/01/2007)
  • Lurie, Karen. "Instant pantser." WetenschapsCentraal Nieuws. 4-12-2003 (1/27/2007) http://www.sciencentral.com/articles/view.php3? artikel_id=218392121&taal=Engels
  • Markovitz, Hershel. "Reologie." AccessScience @ McGraw-Hill. Laatst gewijzigd 26-8-2005. (27/01/2007)
  • Universiteit van Delaware. "Afschuifverdikkende vloeistof." 27-02-2007 http://www.ccm.udel.edu/STF/pubs1.html
  • weist, John M. "Niet-newtoniaanse vloeistof, " in AccessScience @ McGraw-Hill. Laatst gewijzigd 25-8-2005. (1/27/2007)
  • Wetzel, Eric D. et al. "Geavanceerde lichaamsbescherming met behulp van afschuifverdikkende vloeistoffen." 3-12-2002. (26/02/2007). http://www.ccm.udel.edu/STF/PubLinks2/AdvancedBodyArmor_Pres.pdf
  • Wetzel, Eric D. et al. "Beschermende stoffen die gebruik maken van afschuifverdikkende vloeistoffen." 27-10-2004. 26/02/2007 http://www.ccm.udel.edu/STF/PubLinks2/ProtectiveFabrics UtilizingSTF_Pres.pdf

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. 5 waargebeurde verhalen over een bij de geboorte gescheiden tweeling
  2. Wat zijn de twee hoofdfasen van de celcyclus?
  3. Hoe worden restrictie-enzymen gebruikt?
  4. Biochemistry Blotting Techniques
  5. Wat zijn Agar Slants?
  6. Type energie geproduceerd door fotosynthese
  7. Fenotype: definitie, types, voorbeelden
  8. Dansgerelateerde wetenschapsprojecten
  9. Hoe meet je geluk?

Wetenschap