อธิบายเกี่ยวกับเครื่องบิน

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาโรคกระดูกพรุนใช้การถ่ายภาพรังสีเอกซ์เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างของกระดูกและระบุจุดที่แข็งแรงและอ่อนแอ ความหนาแน่นเป็นปัจจัยหลักที่มักเชื่อมโยงกับความแข็งแรงของกระดูก และในการประเมินความแข็งแรงนั้น นักวิจัยส่วนใหญ่จะพิจารณาว่ากระดูกสามารถรองรับน้ำหนักได้มากแค่ไหนในคราวเดียว แต่ทีมที่นำโดยผู้เขียนอาวุโส Christopher J. Hernandez รองศาสตราจารย์จาก Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering และ Meinig School of Biomedical Engineering สนใจชีวิตที่เหนื่อยล้าในระยะยาว หรือจำนวนรอบของการโหลดกระดูก ทนก่อนที่มันจะแตก "วิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจคุณสมบัติการล้าของวัสดุคือการนึกถึงชิ้นส่วนในรถของคุณที่แตกบ่อย ดังนั้นคุณต้องนำมันไปที่ร้าน แล้วทำไมมันถึงแตก เห็นได้ชัดว่ามันแข็งแกร่งพอ เพราะ มันใช้งานได้เป็นเดือน เป็นปี ไม่เป็นไร แต่หลังจากปั่นจักรยาน ปั่นจักรยาน และปั่นจักรยาน นับสิบล้านรอบ มันก็พัง” เฮอร์นันเดซกล่าว "เรารู้จักคุณสมบัตินี้ของวัสดุมาเป็นเวลา 150 ปีแล้ว และมันถูกฝังอยู่ในการออกแบบของทุกสิ่งที่เราทำ แต่ไม่ค่อยมีใครทำการศึกษากระดูกในลักษณะนี้" โครงสร้างภายในของกระดูกประกอบด้วยเสาคล้ายจานแนวตั้งที่กำหนดความแข็งแรงเมื่อรับน้ำหนักมากเกินไป กระดูกยังมีเสาคล้ายไม้ค้ำยันในแนวนอน ซึ่งไม่ค่อยมีผลต่อความแข็งแรงและโดยพื้นฐานแล้วเป็น เครื่องบิน "การตกแต่งหน้าต่าง" เฮอร์นันเดซและทีมของเขาสงสัยว่าสถาปัตยกรรมด้านอื่นมีความสำคัญ การใช้ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์ใหม่ ผู้เขียนนำ Ashley Torres, MA '15, Ph.D. '18, MBA '19 สามารถทำการวิเคราะห์เชิงลึกของตัวอย่างกระดูก และพบว่า เมื่อพูดถึงการทนทานต่อการสึกหรอและการฉีกขาดในระยะยาว สตรัทแบบแท่งแนวนอนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยืดอายุความเมื่อยล้าของกระดูก Hernandez ผู้ช่วยนักวิทยาศาสตร์จาก Hospital for Special Surgery ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ Weill กล่าวว่า "ถ้าคุณโหลดกระดูกเพียงครั้งเดียว มันก็ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของกระดูก และความหนาแน่นส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยเสาที่มีลักษณะคล้ายจาน" ยาคอร์เนล. "แต่ถ้าคุณลองคิดดูว่าจะรับน้ำหนักขนาดต่ำได้กี่รอบ สตรัทแบบบิดงอเล็กๆ เหล่านี้คือสิ่งสำคัญจริงๆ เมื่อคนเราอายุมากขึ้น พวกเขาจะสูญเสียสตรัทแนวนอนเหล่านี้ก่อน ซึ่งจะเพิ่มโอกาสที่กระดูกจะหักจากวงจรหลายๆ รอบ โหลด" ทีมงานใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อผลิตวัสดุที่ได้แรงบันดาลใจจากกระดูกซึ่งทำจากพอลิเมอร์ยูรีเทนเมทาไครเลต นักวิจัยได้เปลี่ยนความหนาของแท่งเหล็กและสามารถเพิ่มอายุการล้าของวัสดุได้ถึง 100 เท่า เฮอร์นันเดซคาดว่าโครงตาข่ายเสริมโครงสร้างจุลภาคที่ทีมของเขาพัฒนาขึ้นสามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์ใดก็ได้ และจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ซึ่งวัสดุน้ำหนักเบาพิเศษจำเป็นต้องทนทานต่อแรงดึงมหาศาลและซ้ำๆ เฮอร์นันเดซกล่าวว่า "ลมกระโชกทุกครั้งที่เครื่องบินชนทำให้เกิดรอบการบรรทุก ดังนั้นปีกเครื่องบินจึงรับภาระหลายพันครั้งในแต่ละเที่ยวบิน" เฮอร์นันเดซกล่าว "ถ้าคุณต้องการสร้างอุปกรณ์ที่ทนทานหรือยานพาหนะที่มีน้ำหนักเบาและมีอายุการใช้งานยาวนาน สิ่งสำคัญคือต้องโหลดชิ้นส่วนกี่รอบก่อนที่ชิ้นส่วนจะแตกหัก และความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ที่เราได้รับในการศึกษานี้ ให้ใครสักคนที่ออกแบบหนึ่งในโครงสร้างขัดแตะเหล่านี้สร้างความสมดุลระหว่างความต้องการความแข็งและความแข็งแรงภายใต้โหลดเดี่ยวกับความต้องการในการทนต่อรอบการโหลดระดับล่างหลายๆ รอบ"