Design principles for energy dissipation in viscoelastic network metamaterials

Imagina un mundo donde los materiales que nos rodean no son solo bloques sólidos de materia, sino estructuras intrincadas, similares a una telaraña, hechas de pequeñas varillas y uniones, como una gigantesca telaraña 3D o un complejo andamiaje. Los científicos llaman a esto "metamateriales". A diferencia de los materiales normales, cuyas propiedades provienen de aquello de lo que están hechos (como el acero, que es resistente porque es de hierro), los metamateriales obtienen sus superpoderes de cómo están construidos. Piensa en ello como un instrumento musical: la cuerda de una guitarra y la de un violín pueden estar hechas del mismo metal, pero la forma del instrumento cambia el sonido. En el mundo real, queremos que estos materiales hagan más que solo sostener cosas; queremos que sean maestros de la "disipación de energía". Esta es una forma elegante de decir que son muy buenos absorbiendo vibraciones y sacudidas, convirtiendo la energía saltarina de un terremoto o un choque de coche en calor inofensivo, en lugar de dejar que rebote y rompa las cosas.

Durante mucho tiempo, los ingenieros han intentado fabricar mejores amortiguadores utilizando espumas esponjosas o mezclas desordenadas de diferentes materiales. Sin embargo, estos son difíciles de ajustar con precisión. Una nueva idea es construir estos amortiguadores como redes perfectas diseñadas por computadora. No obstante, determinar la mejor manera de disponer las varillas en estas redes gigantescas y desordenadas es una pesadilla para las computadoras. Es como intentar encontrar el camino perfecto a través de un laberinto que cambia de forma constantemente, pero el laberinto es tan grande que comprobar cada giro tomaría más tiempo que la edad del universo. Aquí es donde entra en juego un nuevo estudio, ofreciendo un atajo inteligente para resolver este rompecabezas y revelando reglas sorprendentes sobre cómo construir la máquina definitiva para comer vibraciones.

La gran caza de las vibraciones: Cómo construir un mejor amortiguador

Conozcan a los investigadores, un equipo de científicos que son esencialmente arquitectos digitales. Querían responder a una gran pregunta: Si tienes una cantidad fija de material para construir una red gigante y desordenada de varillas, ¿cómo deberías disponer el grosor de esas varillas para que la red absorba la mayor cantidad de energía posible? Imagina que tienes un cubo de arcilla. Podrías hacer que todas las varillas de tu red tengan el mismo grosor, o podrías hacer que algunas sean súper gruesas y otras finas como el papel. ¿De qué manera se obtiene el mejor amortiguador?

Para descubrirlo, no pudieron simplemente construir un millón de redes físicas y sacudirlas. En su lugar, inventaron un truco computacional superrápido. Normalmente, para simular cómo vibra una varilla, las computadoras tienen que trocearla en miles de piezas diminutas. Pero este equipo se dio cuenta de que podían tratar cada varilla como una onda continua y completa, como la cuerda de una guitarra, y solo observar los "puntos de unión" donde las varillas se conectan. Esto convirtió un problema matemático masivo e imposible en uno manejable, permitiéndoles probar miles de diseños diferentes en un abrir y cerrar de ojos.

El error de lo "aleatorio"
Primero, preguntaron: ¿Qué pasa si simplemente lanzamos dardos al tablero? Asignaron grosores diferentes a las varillas de sus redes virtuales de forma aleatoria. El resultado fue un poco decepcionante. La mayoría de las veces, un desorden aleatorio de varillas gruesas y finas en realidad hacía que el amortiguador fuera peor que si simplemente hubieran hecho que todo tuviera el mismo grosor. Resulta que a la naturaleza (o al menos a la buena ingeniería) no le gusta el caos cuando se trata de detener las vibraciones. Si solo adivinas, es probable que termines con una estructura que permite que la energía se filtre directamente.

La receta secreta: El diseño de "gradiente"
Pero luego, el equipo utilizó un algoritmo computacional inteligente para encontrar el diseño perfecto. No se limitaron a adivinar; dejaron que la computadora "aprendiera" qué grosores funcionaban mejor. El resultado fue un patrón hermoso y no aleatorio. El diseño óptimo presentaba un gradiente: las varillas situadas justo al lado del punto donde comenzó la vibración (la "fuente") eran gruesas y pesadas, y a medida que te alejabas de esa fuente, las varillas se volvían progresivamente más delgadas y finas.

¿Por qué funciona esto? Los investigadores descubrieron que el material tiene una "memoria" integrada de qué tan lejos puede viajar una vibración antes de desvanecerse. A esto lo llaman longitud de atenuación. Es como una onda de sonido en una habitación con niebla; el sonido es fuerte justo al lado del altavoz, pero se vuelve cada vez más tenue a medida que viaja a través de la niebla. La computadora determinó que la mejor manera de atrapar la energía es concentrar toda tu "arcilla" (material) justo donde la vibración es más fuerte y ruidosa. Si colocas varillas gruesas lejos de la fuente, no están haciendo nada más que estar ahí sentadas, porque la vibración ya ha muerto para cuando llega hasta ellas.

La analogía de la "niebla"
Piensa en la vibración como una ola de agua que entra en una esponja seca. Si la esponja es muy absorbente (alta disipación), el agua se absorbe inmediatamente y no viaja lejos. En este caso, el mejor diseño es hacer que la parte de la esponja situada justo en el borde sea súper gruesa y densa, para atrapar toda el agua instantáneamente. Si la esponja es menos absorbente, el agua viaja más lejos, por lo que necesitas distribuir el grosor de forma más amplia. La computadora descubrió que la "forma" del amortiguador perfecto está dictada enteramente por la rapidez con la que el material absorbe la vibración de forma natural.

Reglas sorprendentes
El estudio también encontró algunas curiosidades interesantes. Si el material detiene las vibraciones muy rápido (una "longitud de atenuación" corta), el diseño perfecto se vuelve casi totalmente independiente de lo que sucede en los bordes lejanos de la red. Es como si gritaras en una habitación muy pequeña y aislada acústicamente; no importa si las paredes son de madera o de concreto, porque el sonido muere antes de siquiera alcanzar las paredes. El diseño solo se preocupa por el vecindario inmediato de la fuente.

Sin embargo, si las vibraciones viajan una larga distancia, el diseño debe tener mucho cuidado con la forma en que se sujetan los bordes. Los investigadores también señalaron que estos diseños "perfectos" se parecen un poco a las venas que ramifican una hoja o a los vasos sanguíneos de tu cuerpo, pero con un giro: mientras que la naturaleza a menudo intenta minimizar la pérdida de energía para mover fluidos de manera eficiente, estos amortiguadores están diseñados para maximizar la pérdida de energía para detener el movimiento.

Lo que esto significa
Este artículo no solo dice "aquí hay un diseño genial". Proporciona una nueva forma rápida de calcular estos diseños para redes enormes y desordenadas que antes eran demasiado difíciles de resolver. Sugiere que, para construir los mejores materiales de amortiguación de vibraciones, no debemos usar simplemente bloques uniformes o mezclas aleatorias. En su lugar, debemos observar qué tan lejos absorbe la energía el material de forma natural y construir una estructura de "gradiente" que sea más gruesa justo donde comienza la sacudida y más delgada a medida que se aleja. Es un poco como construir una fortaleza donde los muros son más gruesos justo donde el enemigo está atacando, y más delgados donde no pueden llegar, asegurando que cada gramo de material esté trabajando con todas sus fuerzas para detener la sacudida.