La relation entre les zones actives et les limites avec l’apport d’énergie dans les coques cassantes

De nouvelles recherches examinent comment la géométrie des coques est liée à l’apport d’énergie nécessaire pour activer l’instabilité de rupture.

Dans la nature, divers organismes tels que le colibri et le piège à mouches de Vénus utilisent des mouvements rapides pour capturer leurs proies, inspirant les ingénieurs à créer des conceptions qui fonctionnent en utilisant l’instabilité des structures de coquille. Le claquement libère rapidement l’énergie élastique stockée et ne nécessite pas de stimulus appliqué en continu pour maintenir une forme inversée dans les structures bistables.

Un nouvel article publié dans EPJ E rédigé par Lucia Stein-Montalvo, Département de génie civil et environnemental, Université de Princeton, et Douglas P. Holmes, Département de génie mécanique, Université de Boston, avec les co-auteurs Jeong-Ho Lee, Yi Yang, Melanie Landesberg et Harold S Park, examine comment la restriction de la zone active de la limite de la coque permet une grande réduction de sa taille et diminue l’apport d’énergie nécessaire pour activer le comportement d’encliquetage dans la coque afin de guider la conception de structures d’encliquetage efficaces.

Dans l’article, les auteurs soulignent que l’instabilité d’encliquetage est un mécanisme particulièrement attrayant pour des dispositifs tels que des actionneurs robotiques ou des muscles mécaniques, des dispositifs optiques et même des façades de bâtiments dynamiques. Tous ces éléments reposent sur une combinaison de bi-stabilité géométrique et de stimulus induisant un encliquetage pour une fonction qui va de la mécanique, comme le couple dans le jouet de casquette sautante d’un enfant, ou non mécanique comme la température, la tension, un champ magnétique, différentiel croissance ou gonflement.

Les chercheurs ont mené deux séries d’expériences, l’une utilisant le gonflement résiduel des élastomères de silicone bicouches, un processus qui imite la croissance différentielle, l’autre utilisant un magnéto-élastomère pour induire des courbures qui provoquent une rupture.

Cette approche basée sur la mécanique a découvert une analogie avec la couche limite dominée par la flexion dans les calottes sphériques inversées. Ils ont découvert que, tout comme pour les calottes sphériques passives inversées, la taille de la couche limite est étroitement liée à la stabilité. De plus, l’équipe a découvert que l’emplacement et la taille de la région de flexion imposée déterminent si elle est en concurrence ou coopère avec la couche limite géométrique, là où la coque « veut » se plier.

Ainsi, les résultats de l’équipe révèlent les mécanismes sous-jacents de l’encliquetage dans les coques sphériques, offrant une voie intuitive vers une conception optimale pour un encliquetage efficace.