Mô hình toán học cho vòm không mô men

Các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp tìm mẫu, một quá trình cho phép chuyển dịch lực tối ưu trong một cấu trúc, bắt chước các dạng tự nhiên chịu tác dụng của lực nén và lực kéo không có mô men uốn. Theo nhóm nghiên cứu, thiết kế này có thể chống lại bất kỳ sự kết hợp nào của tải trọng cố định mà không gặp phải thiệt hại nghiêm trọng và do đó, cấu trúc không thể bị phá hoại.

Wanda Lewis, Giáo sư tại Trường Kỹ thuật thuộc Đại học Warwick, đã quan sát hình dạng tự nhiên trong hơn 25 năm và phát hiện ra rằng tất cả các cây cầu tự nhiên đều có khuynh hướng phân phối ứng suất đơn giản cho phép chúng duy trì tải trọng lớn hơn. Giáo sư Lewis đã tạo ra các mô hình toán học để áp dụng nguyên tắc này trong các cấu trúc nhân tạo.

 Tìm kiếm vòm tối ưu là một vấn đề khiến các nhà khoa học gặp khó khăn trong nhiều thế kỷ. Trở lại thế kỷ 17, Robert Hook cho rằng hình dạng vòm lý tưởng giống như dây xích (hình dạng mà chuỗi treo lý tưởng tạo nên dưới trọng lượng riêng của nó khi chỉ được đỡ ở hai đầu) trong khi giải pháp lý thuyết cổ điển là hình dạng của parabola ngược. Tuy nhiên, những đề xuất đó có thiếu sót vì chúng không gặp phải những ứng suất phức tạp chỉ có trong các loại tải trọng cụ thể. Quy trình "tìm mẫu" mới cải thiện các lý thuyết đã nói ở trên bằng cách thêm một mô hình toán học mới vào việc tìm kiếm vòm tối ưu.

Hình dạng mà giáo sư Lewis đề xuất có thể được minh họa bằng quy trình thí nghiệm đơn giản: Một kết cấu dàn cần được treo, chỉ đỡ ở 2 đầu và được phép biến dạng dưới tác dụng của trọng lực. Sau đó, hình dạng được đông cứng và đảo ngược tạo ra hình dạng dự định. Các tọa độ của hình được lấy bằng cách mô phỏng quá trình đã nói ở trên trong mô hình tính toán.

Giáo sư Lewis tuyên bố rằng ngay cả khi các thiết kế kiến ​​trúc tinh vi là ấn tượng và hấp dẫn, chúng không có khả năng phân phối các lực tác động theo cách tối ưu.

“Tìm mẫu” cho phép thiết kế các cấu trúc cứng theo hình dạng tự nhiên - các cấu trúc chịu được bởi lực nén hoặc kéo thuần túy, không có ứng suất uốn, đây là điểm yếu chính của các cấu trúc khác.

Trần Mạnh Khải
Nguồn: Warwick.ac.uk