Spørg Scientariet: Kan man bygge broer med piller som tændstikker?
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Spørg Scientariet: Kan man bygge broer med piller som tændstikker?

Vores læser Michael Bjarnhof har spurgt: Hvad er den teoretiske grænse for materialers mekaniske styrke? Vil vi se broer med piller så tynde som tændstikker?

Ingeniøren-blogger og professor på DTU Nanotech Peter Bøggild svarer:
Først må jeg svare på, om det kan lade sig gøre at lave broer med piller som tændstikker, og der må jeg desværre skuffe.

For det første er der ikke noget, der tyder på, at man kan vil kunne lave materialer, der er ret meget stærkere end dem, vi kender i dag. Og selvom man kunne, ville det ikke betyde det store.

For det andet er den mekaniske styrke ikke lige så vigtig som dimensionerne/størrelsen/diameter i en lang række tilfælde.

Læs også: Sort fosfor er den nye konkurrent til grafen

Lad os tage det med styrken: Groft sagt handler det om styrken af bindingerne, der får atomerne til at hænge sammen, og den måde, de er arrangeret på - krystalstrukturen. Det første afgør, hvor meget kraft der skal til at splitte to atomer ad, og det andet afgør, hvorvidt stress koncentreres på en enkelt binding eller på flere, når det først begynder at gå galt. Krystalglas er både hårdt og stærkt, men flækker har en stærk tendens til at udvides,

Vi har allerede et materiale, der er noget nær perfekt på begge områder: grafen. Dette er 20-100 gange stærkere end stål og utrolig 'dygtigt' til ikke at gå i stykker under stresspåvirkning.

Med det, vi ved i dag, er det svært at se, hvordan noget materiale kan være ret meget stærkere eller mere stabilt. Vi har de atomer, vi har i det periodiske system, og de stærkeste bindinger er kovalente (to atomer deles om elektronerne) mellem små atomer (kort bindingslængde). Der kan ikke dukke et nyt atom op - ikke i dette univers. Der kan heller ikke dukke en ny slags binding op.

Så kommer det med: Kan vi så lave tændstiklignende bropiller og papirtynde broer?

Læs også: Atomtynde materialer kan føre til helt ny elektronik

Nej. Selv ikke med grafen, hvis det var 100 gange stærkere. Tænk på en vippe i en swimmingpool. Hvis du trykker den frie ende ned, vil stresset i den anden ende (hvor den sidder fast) stige lineært med den kraft, du trykker med, indtil den maksimale stress (kraft pr. areal) for materialet er nået.

Et almindeligt materiale vil udvikle sprækker og flækker, men hvis hele vippen havde grafens superegenskaber, og modstandskraft mod at flække, er det først, når de enkelte kemiske bindingers grænse er nået, at det går galt.

Men selvom vippen ikke knækker som sådan, er det noget af et problem, hvis den bliver blød! Og det gør den ret hurtigt, hvis du gør den tyndere.

Kraften, du skal trykke ned med for at få den til at bøje f.eks. 10 cm, skalerer med tykkelsen af vippen i tredje potens, hvorimod kraften kun er proportional med stivheden, som ikke kan blive højere end ca. 1 TPa. (Og kan man forestille sig materialer med større stivhed? Nej, for diamant og grafen, der har denne stivhed, er det de kemiske bindinger selv, der sætter grænsen).

Læs også: Nano-legering gør stål ti gange stærkere

Hvis nu du forestiller dig, at du alligevel lykkes med at gøre materialet dobbelt så stift, f.eks. 2 TPa, og samtidig halvt så tyndt, får du en faktor 2 på grund af den større stivhed af materialet, mens stivheden af bjælken bliver otte gange mindre. Du ender altså med at gøre vippen fire gange så blød alt i alt.

Hvis man erstatter få tykke bropiller med en masse tynde, der har det samme totale tværsnit, går det galt, uanset hvor stærkt materialet er - det vil krølle sammen.

Så igen: Vi kan ikke lave materialer, der er stærkere - vi har stort set nået grænsen - og selvom vi kunne, ville vi ikke kunne lave bærende elementer meget tyndere.

Som en undtagelse er, når vi ophænger tunge ting i kabler eller tråde - her er det kun det samlede tværsnit, der betyder noget - dvs. som indkøbsnet. Her kan man gøre trådene tyndere svarende til øgningen af styrken - altså: dobbelt så stærkt materiale, og du kan halvere det samlede tværsnitsareal.

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Nu glemmer man vidst at for hundrede år siden havde man vidst som max 80 ton presser, nu har vi vidst 8000 ton presser, måske om 100 år har vi 80.000 ton presser.

Det kommer nok en dag.

  • 0
  • 12

Professor Peter Bøggild redegør fint for de fundamentale fysiske kræfter som betinger materialernes grundlæggende egenskaber. Men han kommer slet ikke ind på de konstruktionsmæssige og beregningsmæssige detaljer som kan ændre billedet.

Eksempler: 1. da Titanic blev bygget som et naglet skib, i modsætning til svejste skibe, så var omkring 30% af massen "spildt" til pladeoverlap og nagler. 2. da hurtigfærgerne blev bygget af aluminium som katamaraner, så kunne de pludselig sejle 250% hurtigere 3. da moderne CAD-teknologi, anden beton og andet stål blev brugt til broer, så .....

Der er med andre ord talrige eksempler på, at forbedrede konstruktioner giver nye løsninger på kendte konstruktionsproblemer.

Hvad nu, hvis en bro i kulfiber kunne laves i eet stykke, uden samlinger (som er svage og bruger materiale) og i gitterkonstruktioner (gitterrør) - vhordan ville dimensionerne så blive ? Mon ikke der i de kendte stål- eller betonbroer er brugt 50% af styrken til at bære egenvægten / modstå egenpåvirkninger fra vind osv . ?

Jeg savner en kreativt svar på spørgsmålet - baseret på hypotetiske konstruktionselementer som gitterrør i kulfiber, honneycomb pladeelementer og ......

  • 0
  • 0

Når man taler om søjler med "tændstikben" så er det i virkeligheden ikke materialets styrke, men materialets stivhed der er afgørende.

Hvad der kommer til at afgøre længden af giraffens ben er hvornår der opstår Euler udbøjning i søjlen.

Maksimum opnåelig stivhed ligger omkring ståls +/- en træskolængde, både nu og i fremtiden.

  • 0
  • 0

Stivhed kan opnås på flere måder: - masiv søjle - kasse - rør - I-konstruktion - L-konstruktion - bue, som omsætter kraft i én retning til kræfter i andre retninger - gitter, som typisk udnytter kombination af I- og L-konstruktion, samt måske rør

Den nævnte udbøjning opstår netop fordi materialet ikke er stærkt nok (det flyder eller er elastisk), hvorefter søjlen kollapser fordi trykkraften delvis bliver omsat til vandrette kræfter (lidt som en buebro der mister landfæsterne).

Det er netop karakteristisk, at i grænseområdet for belastning er det materialets evne til at klare tryk og træk (og så er vi tilbage til materiale-egenskaberne) som sætter grænsen. Dertil kommer så de ekstraordinære belastninger som opstår (kærvvirkning), som reducerer grænserne.

Mon ikke et gitterrør i grafen teoretisk set er meget stærkt ? - f.eks. lavet af rullet grafen.med passende diameter ?

  • 0
  • 0

Halvgennemsigtig aerogel som bærer 1000 gange sin egen vægt (det blålige under murstenen): https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ae...

-

Massachusetts Institute of Technology. (2014, June 19). New ultrastiff, ultralight material developed. ScienceDaily: http://www.sciencedaily.com/releases/2014/... Citat: "... The design is based on the use of microlattices with nanoscale features, combining great stiffness and strength with ultralow density, the authors say. The actual production of such materials is made possible by a high-precision 3-D printing process called projection microstereolithography, as a result of the joint research collaboration between the Fang and Spadaccini groups since 2008. ... "We found that for a material as light and sparse as aerogel [a kind of glass foam], we see a mechanical stiffness that's comparable to that of solid rubber, and 400 times stronger than a counterpart of similar density. Such samples can easily withstand a load of more than 160,000 times their own weight," says Fang, the Brit and Alex d'Arbeloff Career Development Associate Professor in Engineering Design. So far, the researchers at MIT and LLNL have tested the process using three engineering materials -- metal, ceramic, and polymer -- and all showed the same properties of being stiff at light weight.

"This material is among the lightest in the world," LLNL's Spadaccini says. "However, because of its microarchitected layout, it performs with four orders of magnitude higher stiffness than unstructured materials, like aerogels, at a comparable density." ... Another property of these materials is that they conduct sound and elastic waves very uniformly, meaning they could lead to new acoustic metamaterials, Fang says, that could help control how waves bend over a curved surface. ..."

-

.5. mar 2014, Nyt materiale er lettere end vand, men stærkt som stål. Tyske forskere har udviklet et materiale, der vejer omtrent det samme som skum, men er stærkt som nogle ståltyper. Endnu er de dog langt fra massefremstilling. http://ing.dk/artikel/nyt-materiale-er-let... Citat: "... Materialet ligner knogler, som ellers også er noget tungere end vand, men vægtmæssigt ligger det i omegnen af flere skummaterialer, som vejer langt under vandets 1000 kg/m3. Se eksempler på styrke vs. vægt i skemaet, hvor også det nye ’Alumina foam’-materiale er repræsenteret. ..." http://phys.org/news/2014-02-bone-like-mat... Graf - spøjst nok "fører" diamant og bikubestrukturer: http://cdn.phys.org/newman/gfx/news/hires/... Space-filling polyhedra: https://en.wikipedia.org/wiki/Honeycomb_%2...

-

Selvoptimerende knogler:

Eindhoven University of Technology (2013, February 1). Internal bone structure reveals loading and walking behavior. ScienceDaily: http://www.sciencedaily.com/releases/2013/... Citat: "... The ability of the skeleton to adapt to the way in which it is loaded is well known as Wolff's law. Bone tissue contains special cells that are sensitive to the mechanical forces acting on the bone. More bone mass is produced where the pressure on the bone is high, and bone tissue is lost where the pressure is low. ..."

-

University of Cambridge. (2014, March 24). Shock-absorbing 'goo' discovered in bone. ScienceDaily: http://www.sciencedaily.com/releases/2014/... Citat: "... New findings show that much of the mineral from which bone is made consists of 'goo' trapped between tiny crystals, allowing movement between them. It is this flexibility that stops bones from shattering. ... It is the inbuilt shock absorber in bone that, until now, was unknown. ..."

-

Her rettes en misforståelse vedrørende fugleknogler:

University of Massachusetts Amherst. (2010, March 23). Bird bones may be hollow, but they are also heavy. ScienceDaily: http://www.sciencedaily.com/releases/2010/... Citat: "... In other words, the skeleton of a two-ounce songbird weighs just as much as the skeleton of a two-ounce rodent. ... Her findings, supported by bone density measurements, are published in the March 17 issue of Proceedings of the Royal Society B. As Dumont explains, "The fact that bird bones are denser than bones in mammals not only makes them heavier for their size, but it may also make them stiffer and stronger. This is a new way to think about how bird skeletons are specialized for flying and solves the riddle of why bird skeletons appear so lightweight and are still relatively heavy. This has never been explained fully and so has never gotten into the textbooks. I'd like to see that change." ... Galileo described bird bones as lightweight in 1683, Dumont says. Her new data help to dispel the common misconception that bird skeletons are lightweight relative to body mass. Instead, bird and bat skeletons only appear to be slender and delicate -- because they are dense, they are also heavy. Being dense, strong and stiff is one more way that birds' and bats' bones are specialized for flight. ..."

-

Nogle dinosaurknogler ligner fugleknogler:

University Of Washington. (2000, August 10). Microscopic Bone Evidence Supports Dinosaur-Bird Evolution Link. ScienceDaily: http://www.sciencedaily.com/releases/2000/... Citat: "... The study shows that in a group of dinosaurs called coelurosaurs, the organization of bone canaliculi - submicron-sized channels that connect bone cells and blood vessels within the bone - form in a randomly branching network. The canaliculi take circuitous, meandering routes as they make connections between the bone cells and nutrient sources. That same pattern today is found only among birds. [] However, in a group of dinosaurs called ornithischians, which includes horned creatures such as Triceratops, the canalicular organization follows a much more regular pattern with very direct and parallel routes, a structure similar to that in modern mammals. ..."

  • 0
  • 1

Når man taler om søjler med "tændstikben" så er det i virkeligheden ikke materialets styrke, men materialets stivhed der er afgørende.

Hvad der kommer til at afgøre længden af giraffens ben er hvornår der opstår Euler udbøjning i søjlen.

Maksimum opnåelig stivhed ligger omkring ståls +/- en træskolængde, både nu og i fremtiden.

Ja, og hvis grækerne havde haft moderne konstruktionsmaterialer, så havde de nok lavet andre søjler en doriske, joniske og korinthiske!

Konstruktioner optimeres på mange ting, elasticitet, styrke (både tryk- og træk-!), stivhed, anskaffelsespris og vedligeholdelsesomkostninger. Nogen vil måske tillægge æstetik! Aluminium har ikke samme styrke som stål, men en aluminiumssøjle med samme vægt som en stålsøjle er mere stiv!

De fleste kollapser, hvis vi ser bort fra direkte dårlig vedligholdelse, skyldes jo at man har prioriteret en bestemt type belastning og ikke taget nok højde for diverse andre belastningstyper, fx vibrationer!

Man skal også tænke på at alle materialer forandres i sin struktur, selv når man holder sig inden for proportionalitetsgrænsen! En urfjeder er jo altid belastet klart inden for proportionalitetsgrænsen. Jeg har et lygteur som er lidt over 100 år gammelt. Det er født med et såkaldt 8-dages værk (reelt ca. 10 døgn). Idag efter mindre end 10.000 optrækninger, kan det gå maksimalt 5 døgn!

John Larsson

  • 0
  • 1

Hvorfor laver man ikke Dyneema baserede vindmøllevinger? Det er måske meget dyrere end glasfiber?

Dyneema baserede flyvinger, bilkarosserier?

https://en.wikipedia.org/wiki/Ultra-high-m... Citat: "... Dyneema and Spectra [UHMWPE]...strength-to-weight ratios for these materials in a range from 8 to 15 times higher than steel. Strength-to-weight ratios for Dyneema are about 40% higher than for aramid. ..."

How Dyneema Works: http://science.howstuffworks.com/dyneema.htm Citat: "... Dyneema is trademarked as the world's strongest fiber. ... * Fire resistant and self-extinguishing * Can withstand extreme cold and hot temperatures ... By themselves or combined Dyneema has the potential to protect against a range of ballistic threats including direct gunfire from an AK47, improvised explosive devices (IEDs), rocket-propelled grenades (RPGs), land mines or explosively formed penetrators (EFPs). ... Many bullet-resistant vests, boats and aircraft also use Dyneema. ..."

  • 0
  • 0

Vægten for en rotor betyder vel ikke så meget; det er vel en fordel med en svinghjulseffekt, så hastigheden holdes rimelig konstant, selvom der er kortvarige ændringer i vindhastigheden.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten