纸艺魔术球里的大学问

时间:2019-01-06 栏目:科学24小时

顾冰

不知看过日剧《深夜食堂》的观众,对剧中的芥末年越荞麦面是否有印象。面条最早起源于中国,至今已有四千多年的历史。大家可能也知道面条的制作过程,从揉面到制成面条,要经过多道工序,非常讲究。但你是否想过这样一个问题——面条为何会被拉长拉细,而不是因受拉而膨胀呢?可能有的读者会觉得这个问题非常荒谬,但确实存在能够受拉膨胀的物质——拉胀材料。

拉胀材料是一种具有负泊松比,能够受拉膨胀、受压收缩的新型材料。泊松比是指材料在单向受拉或受压时,横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值,也叫横向变形系数,是反映材料横向变形的弹性常数。将拉胀材料横向拉伸时纵向会膨胀,横向挤压时纵向会收缩。

拉胀材料在军事、航天航空、汽車、船舶、医疗、体育用品等领域有着广泛应用。比如,我们可以用它来制造医疗器械——心脏支架。支架由于需要植入人体血管,因此其收缩时体积应尽可能小,以期顺利通过动脉血管。此外,拉胀材料比普通材料具有更好的抗冲击性。2017年,仿生学研究项目BISS(Bio-Inspired Safety System)的研究团队从柚子身上获得灵感,研制出了防护性能提升20%的新型材料,可用于制造防护服、头盔等保护装置。柚子即使从高处坠落也不会摔裂,果肉也几乎不会受到损伤。这是因为呈蜂窝状的柚子皮具有很好的抗冲击性,且自重很轻,相当于自带减震效果,因此可以起到很好的保护作用。柚子皮的结构在材料学中被称为“拉胀材料”。这种材料应对压力的方式与传统材料完全不同。在压力点之下,传统材料受压会塌陷变薄,而拉胀材料则会压缩硬化。所以,拉胀材料在拉伸时会变得更厚,而不是更薄。

拉胀材料的设计灵感源于折纸艺术,比如纸艺魔术球。通过不断地山折和谷折,我们可以折出一个能够形变的魔术球,其横向受到挤压时纵向也会收缩。因此,纸艺魔术球呈现出了负泊松比的几何模式。这一模式后来也演变成了拉胀材料最经典的设计方案。下面,我们就来教大家动手制作一个纸艺魔术球。

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