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Des expériences et des simulations expliquent la nature inhabituelle de l’élasticité de la structure.
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Un nid d’oiseau est une merveille d’ingénierie naturelle : un faisceau désordonné de tiges flexibles tissées dans un matériau léger et élastique, mais cohérent. Une équipe de chercheurs a maintenant utilisé l’imagerie par rayons X et des simulations informatiques pour expliquer comment un assemblage de tiges courtes en forme de nid acquiert sa réponse inhabituelle aux contraintes mécaniques [1]† Ils ont découvert que la friction entre les brins et la distribution des points de contact des brins jouent un rôle crucial dans la détermination des propriétés d’un nid. Une meilleure compréhension de ces facteurs pourrait aider les efforts visant à utiliser des emballages de tiges en forme de nid dans l’architecture.
Une structure en nid d’oiseau est une sorte de matériau granuleux, à mi-chemin entre un empilement aléatoire de grains compacts, comme le riz, et un enchevêtrement de fibres rigides, comme les cheveux. Les milieux granulaires fabriqués à partir de particules très courtes en forme de tige ont été étudiés précédemment, mais moins d’attention a été accordée aux tiges suffisamment longues pour fléchir et être entrelacées, avec des rapports longueur / largeur (aspect) de plusieurs dizaines. [2, 3]†
Auparavant, Mattia Gazzola de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, Hunter King de l’Université d’Akron, Ohio, et leurs collègues ont examiné les propriétés mécaniques d’emballages aléatoires de courtes tiges de bambou versées dans un cylindre en plastique transparent et compressées à l’aide de une plaque supérieure en forme de piston [4]†
Ils ont constaté que cet assemblage de tiges revient plus ou moins à son volume d’origine lorsque la pression de la plaque est relâchée. Mais il le fait de manière non linéaire – la déformation (déformation) n’est pas simplement proportionnelle à la contrainte appliquée. Et il y a hystérésis – la courbe contrainte-déformation pour la compression ne correspond pas à celle lors de la libération. Les deux courbes commencent et finissent aux mêmes endroits mais empruntent des chemins différents, créant une boucle. Un tel comportement a également été observé pour le compactage de particules sphéroïdales à faible rapport d’aspect [5]†
La boucle d’hystérésis implique que pendant la compression, l’énergie n’est pas simplement stockée par la flexion élastique des tiges : une partie est perdue sous forme de chaleur de frottement lorsque les tiges glissent les unes sur les autres, la quantité étant proportionnelle à la surface délimitée par la boucle. Les chercheurs ont constaté le même comportement qualitatif dans les simulations informatiques.
Pour mieux comprendre ce comportement, Gazzola et ses collègues ont maintenant utilisé la tomographie à rayons X assistée par ordinateur pour créer des cartes 3D des points de contact entre les tiges (qui mesurent 76 mm de long, avec un rapport d’aspect de 31). L’équipe a pu suivre l’évolution de ces cartes de contact au cours des cycles de compression et de libération.
Les données ont montré qu’à mesure que la compression augmente, le nombre de contacts le long de chaque tige augmente. Ces contacts limitent la flexion, de sorte que les tiges deviennent plus rigides avec une compression accrue. Cette observation explique la non-linéarité des courbes contrainte-déformation. L’équipe a également observé le glissement et le frottement des contacts le long des tiges. Il existe une dissymétrie entre le glissement lors de la compression et celui lors de la détente en raison de la nécessité de vaincre le frottement statique avant qu’un contact puisse se déplacer : à tout instant, le point de contact est piégé par le frottement loin de son état le plus stable. Cette asymétrie explique la boucle d’hystérésis.
Certains architectes commencent à utiliser des structures en forme de nid géométriquement enchevêtrées [6], et King espère que “l’offre d’une explication de l’origine des réponses mécaniques les plus simples sera un premier pas vers l’accordabilité de la rigidité, de la malléabilité ou de la ténacité de telles structures”. Il soupçonne « qu’il existe un énorme potentiel pour ajuster les propriétés des agrégats en faisant varier les détails simples des éléments ».
Seth Fraden, un physicien de la matière molle à l’Université Brandeis dans le Massachusetts, dit que dans les nids d’oiseaux “il y a clairement des principes d’ingénierie importants en jeu, et il nous incombe de les comprendre”. Le nouveau travail, dit-il, “est une première étape importante” vers cet objectif. Il fait l’éloge des expériences et des simulations, mais il note que les vrais nids ne sont pas confinés par un conteneur, de sorte que la pertinence directe de ces expériences pour la nature n’est pas claire. Heinrich Jaeger de l’Université de Chicago, spécialiste des milieux granulaires, est d’accord, ajoutant que la petite taille de la structure signifie que le comportement peut avoir été fortement affecté par les interactions entre les tiges et les parois du conteneur.
King convient que les murs ont un effet, mais l’équipe évalue actuellement comment les propriétés de la structure changent avec la taille et espère éventuellement les extrapoler à un “nid infini”, un qui est exempt d’effets de frontière. Il ajoute qu’il reste à voir ce qui rend une telle structure autoportante. Cela dépend peut-être des détails de la procédure d’emballage, dit-il: les oiseaux constructeurs de nids “sont connus pour plier et rentrer des bâtons qui sortent des bords d’un nid en construction, [which] pourrait éventuellement donner naissance à une structure autoportante.
–Philip Ball
Philip Ball est un rédacteur scientifique indépendant basé à Londres. Son dernier livre est Les mythes modernes (Presses de l’Université de Chicago, 2021).
Références
- Y.Bhosale et coll.“Origine micromécanique de la plasticité et de l’hystérésis dans les emballages en forme de nid”, Phys. Tour. let. 128198003 (2022).
- M. Trepanier et SV Franklin, « Column collapse of granular rods », Phys. Tour. E 82011308 (2010).
- V. Yadavi et coll.“Effet du rapport d’aspect sur le développement de l’ordre dans les tiges granulaires vibrées,” Phys. Tour. E 88052203 (2013).
- N.Weiner et coll.“Mécanique des filaments emballés au hasard – Le” nid d’oiseau “comme méta-matériau”, J. Appl. Phys. 127050902 (2020).
- P. Parafiniuk et coll.“Effet du rapport d’aspect sur le comportement mécanique des emballages de sphéroïdes,” Physique A 5011 (2018).
- K. Dierichs et A. Menges, “Vers une architecture agrégée : concevoir des systèmes granulaires comme matière programmable dans l’architecture”, granule. Question 1825 (2016).