La sección transversal de un bambú moso silvestre Phyllostachys pubescens. Las fibras (haces vasculares) que rodean las aberturas negras en forma de corazón tienen una distribución más densa hacia la parte exterior. Crédito:Sato M., et al., MÁS UNO, 3 de mayo, 2017
La distribución espacial de las fibras en los cilindros huecos de bambú está optimizada para reforzar la rigidez a la flexión, un nuevo hallazgo que arroja luz sobre los enfoques biomiméticos en el desarrollo de materiales.
Ligero y resistente el bambú es muy utilizado como natural, material funcional en Japón y otros países asiáticos. El bambú es ligero por su estructura hueca, lo que permite que la planta crezca más rápido con pequeñas cantidades de partes leñosas y se exponga a la luz del sol por encima de otros árboles. Pero esta ligereza también deja al bambú vulnerable a fuertes vientos cruzados y puede dificultar que la planta soporte su propio peso. Para superar esta deficiencia, las partes leñosas del bambú están reforzadas con fibras delgadas pero robustas (haces vasculares). Cada fibra es tan rígida como el acero.
El examen de una sección transversal de bambú revela que las fibras en las partes leñosas no están distribuidas por igual. La densidad de las fibras se vuelve gradualmente más gruesa desde la superficie interior hacia la exterior, sugiriendo que las partes externas son, mecánicamente hablando, más fuerte que las partes internas. Esto es razonable porque las partes exteriores reciben más fuerza cuando se dobla el cilindro.
Para determinar la relación entre la distribución de las fibras de refuerzo en un culmo y la rigidez a la flexión del culmo, investigadores de la Universidad de Hokkaido, La Universidad de la Prefectura de Kumamoto y la Universidad de Yamanashi compararon los datos de la distribución de la fibra del bambú real con la distribución óptima de la fibra derivada teóricamente.
Asombrosamente, Los datos reales del bambú mostraron casi la misma distribución de fibras que la de los datos teóricos, distribución óptima de la fibra. Cerca de la raíz del culmo, donde se encuentran una gran cantidad de fibras, la distribución de fibra real coincidió con la forma cuadrática derivada teóricamente para la distribución de gradiente. Cerca de la punta del culmo, donde hay muchas menos fibras que cerca de la raíz, los datos experimentales coincidieron con la distribución lineal calculada de acuerdo con la teoría.
Las curvas de distribución de gradiente en la sección transversal de bambú real (izquierda) coincidieron con las curvas calculadas en base a una teoría mecánica para una rigidez de flexión óptima (derecha). El valor de n es un número de entrenudo asignado desde la raíz hasta la punta. Crédito:Sato M., et al., MÁS UNO, 3 de mayo, 2017
Como resultado, Los investigadores encontraron que el bambú ajusta con precisión la distribución de las fibras para maximizar la rigidez a la flexión con el menor volumen posible de material de madera. La teoría mecánica empleada en esta investigación, por lo tanto, se puede aplicar a otros cilindros huecos para determinar la distribución del gradiente que puede optimizar la rigidez a la flexión.
"Nuestro estudio podría ayudar a desarrollar materiales avanzados imitando el modelo del bambú por su ligereza y dureza. Imitando los sistemas de animales y plantas que han sobrevivido a condiciones adversas, un enfoque llamado biomimética ha demostrado ser exitoso en la resolución de muchos problemas en el desarrollo de materiales en los últimos años, "comentó Motohiro Sato, el autor principal de la Universidad de Hokkaido.
