Cuencos para perros plegables, Los tubos médicos flexibles y las pajitas para beber parecen funcionar según un principio común, entrando en una variedad de estados mecánicamente estables y útiles. A pesar de las numerosas aplicaciones de este tipo de estructuras de "materia de diseño", sin embargo, los mecanismos fundamentales de su funcionamiento han permanecido hasta ahora misteriosos, dicen los científicos de materiales de la Universidad de Massachusetts Amherst dirigidos por Ryan Hayward.

Ahora él y sus colegas, incluido el primer autor y ex estudiante de doctorado de Hayward, Nakul Bende, y su colega de la UMass Amherst, el físico teórico Christian Santangelo, con el mecánico James Hanna y estudiantes de Virginia Tech, informan que han descubierto cómo estas estructuras "multiestables" compuestas de secciones cónicas apiladas se cargan con pretensado, tensión reprimida que surge "porque el material es forzado a entrar en un anillo cerrado que está más fuertemente curvado de lo que naturalmente quiere ser, "como explica Hayward.

"Lo que descubrimos es que la propiedad muy útil de ser mecánicamente estable en una configuración doblada parece requerir una tensión previa. Hasta donde sabemos, nadie había visto nunca cómo y por qué tales estructuras tienen estabilidad en el estado doblado, " él añade.

Señala, "Será útil para nosotros comprender este principio fundamental, que es clave a la hora de diseñar nuevas aplicaciones. Si va a construir un dispositivo reconfigurable, es importante saber por qué funciona y cuándo podría fallar ". Los detalles aparecen en la edición actual en línea de Materia blanda .

Hayward dice que la mecánica que explica la capacidad de los tubos corrugados para extenderse y contraerse en longitud está "bastante bien establecida, "al igual que la idea de que mover materiales entre estados mecánicamente estables requiere superar una barrera de energía. Jugando con una variedad de tubos flexibles de colores en su escritorio, demuestra que el tubo mantiene su forma en cualquier estado, y que se cruza una barrera de energía cuando entra y sale de cada uno.

"El misterio es por qué este tubo de conos apilados debería ser estable en el estado doblado, ", señala." No hay ninguna razón obvia por la que una pajita flexible deba querer ser estable cuando se dobla ".

Para experimentar con esto, él y sus colegas cortaron un tubo a lo largo para ver qué pasaba. Cortando el tubo, él dice, "nos dimos cuenta de que el tubo se abriría y aplanaría, que fue un momento fortuito. Era algo que teníamos que volver atrás y tratar de entender. Esa fue la clave para descubrir el papel del pre-estrés. Descubrimos que cuando relajas la curvatura, la falta de energía almacenada elimina la estabilidad en el estado doblado. También construimos algunos tubos que forzamos a cerrar en un radio más pequeño, para introducir pre-estrés, y descubrió que esto restauró la capacidad de mantener una forma doblada ".

Analizaron este efecto de "pretensado" a través del análisis de curvatura durante la deformación mediante tomografía computarizada de rayos X y con un modelo mecánico simple que capturó el comportamiento cualitativo de los sistemas altamente reconfigurables.

Los autores señalan que "Se han descubierto muchos mecanismos biológicos que aprovechan las transiciones rápidas entre estados mecánicamente estables de estructuras elásticas delgadas para lograr un movimiento rápido. Si bien gran parte de la literatura se ha centrado en la biestabilidad, Los sistemas que soportan múltiples estados estables son atractivos para el diseño de estructuras altamente reconfigurables. "como los que informan.