Волшебные колёса от НАСА [Veritasium]
[музыка] Если вам хочется настоящего волшебства, этот металл как раз то, что вам нужно. Не понимаю, он способен подгонять расположение атомов так, чтобы возвращаться в заранее заданную форму. К тому же, умеет превращать механическую энергию в тепловую. Еще он растягивается в 30 раз сильнее, чем другие металлы, после чего спокойно возвращается к нормальному размеру.
Я руками чувствовал, как он сжимается обратно. Благодаря уникальным свойствам этот металл, где только не используют: медицинских инструментов, игрушках и уязвимых шинах для велосипедов. А еще с его помощью НАСА заново изобретает колеса для исследования космоса. Это основа: скелет шины. Основу шины составляет пружинка.
Происходит следующее: мы крепим пружину к ободу. Вы ее берете и оборачиваете вокруг. Проще некуда, правда? Вот велосипед, у него такая пружина внутри полимерной шины. Видите, такие шины не приходится накачивать воздухом. За сохранение формы и поглощения колебаний отвечает металлическая пружинка. Получается, что-то около 700 килопаскалей. По ощущениям, будто на обычном велике едешь.
Если такое колесо проколоть, ездить хуже оно не станет. Поэтому сейчас мы прокатимся по гвоздям, но сначала посмотрим, как поведет себя обычная пневматическая шина. Проверим, острые ли гвозди. Прокололась? Получили вздутую шину, впрочем, ничего неожиданного. Теперь попробую покататься шинами, которым воздух не нужен. Гвозди те же. Я слышал, что они прокалываются. Гвозди точно что-то пробили, но никакой разницы не чувствую — едет нормально. Теперь побыстрее. Это же гвоздь внутри. Да, он в шине застрял. Похоже на то. Да, тут гвоздь остался в шине.
Теперь выстрелим по шине и посмотрим, что случится. Три, два, один... Вот она! Да, вот только посмотрите. Да точно! Ого, получилось аккуратное сквозное отверстие. Да и след на шине еле-еле виден. Вот здесь кажется, попали по пружине. Мне кажется, да. Да, похоже на то.
Как видите, пуля разлетелась и потом пробила картонку. Ну как ощущения? Да, отлично! Эти необычные шины делают колеса, подходящие для поверхности другой планеты, очень сложно. По большей части атмосферное давление на них очень низкое. Или его вообще нет. Обычные колеса с камерой не подойдут из-за условий на Луне или Марсе — там нет атмосферного давления, без него шины лопнут.
Кроме того, температура падает так низко, что любая резина становится хрупкой. Если представить, что это флагшток, на стороне, повернутой к Солнцу, будет больше 120 градусов Цельсия, а в тени — 156 ниже нуля. Теперь возьмем резину, у нее температура стеклования примерно -68 градусов Цельсия. Она теряет эластичные свойства.
А вот что происходит, когда резину помещают в жидкий азот: на Луну отправлять не стоит. По этой причине колеса для аппаратов, которые ездят по другим планетам, почти всегда делают из твердых металлов. Это запаска от Ровера Curiosity, сделанная из алюминия, вырезанная из одной заготовки, чтобы не было никаких соединений или швов от сварки. Ведь все это потенциально слабые места.
Вес полезной нагрузки, которую можно отправить в космос, ограничен, поэтому колеса делают максимально легкими. Его можно поднять, но увесистая. Чтобы соблюсти требования по массе, колесо сделали толщиной 7 десятых миллиметра. Да, вот эти структурные элементы грунта зацепы придают колесу прочности, помогают взбираться на преграды и улучшают сцепление. Всё равно есть проблемы: колесо большое, тяжелое, грунт агрессивный и неудобный, повреждаются области колёс между зацепами.
Вот в таком состоянии. Сейчас колеса, как видите, тут огромные трещины и пробоины. Когда на материал оказывается воздействие, в нем возникает напряжение. В этот момент все атомы внутри тянет в стороны, расстояние между ними немного меняется. Это влияет на форму объекта. Например, если его растянуть, он станет длиннее. Изменение длины на единицу напряжения называют деформацией.
Для большинства материалов при небольшом напряжении деформация прямо пропорциональна напряжению: чем оно сильнее, тем больше деформации. Материалы эластичны: если прекратить воздействие, объект вернется к прежней форме. Сами атомы остаются на своих местах, все связи остаются как были, меняются лишь расстояние между частицами. Но если напряжение превышает предел упругости материала, деформация становится слишком большой, и атомы смещаются относительно друг друга.
По материалу распространяются так называемые краевые дислокации. Атомы перестраиваются, и такую деформацию откатить назад уже невозможно. Это пластическая деформация. После таких изменений, даже если воздействие прекратится, объект уже не восстановит прежнюю форму. Если воздействие продолжить, материал попросту сломается. В худших случаях мы получаем пробоины, как на колесах марсохода, что снижает эффективность, а может и вовсе сорвать миссию.
Обычные материалы выдерживают от 3 до 8 десятых процента деформации, оставаясь в зоне упругости. Если пойти дальше, то деформация станет уже пластической, и старая форма не вернется. Объект может даже переломиться — отлично. Ну как, еще и перекрутили? Перекрутил и растянул. И потому каждая деталь аппарата, которая отправится на другую планету, создается так, чтобы деформация никогда не превышала 3,8 процента. Это довольно мало.
Нас в свое время испытывала и другой вид колёс. На них ездили знаменитые лунные автомобили миссии Аполлон. Там создали конструкцию на базе того, что мы называем пантографом. Это просто несколько проволок, переплетенных между собой. Они пропускают то сверху, то снизу. А вот тут, на внешней стороне — это для того, чтобы укрепить. Это в большей степени для того, чтобы колесо не утопало в грунте.
С такими пластинками проводили разные испытания, выясняли, какая нужна ширина и область покрытия. Оказалось, что около 50 процентов хватит, чтобы колесо держалось на поверхности, оставаясь достаточным мягким. Лунный автомобиль неплохо проходил небольшие расстояния по Луне. Ну, самое длинное расстояние, которое преодолел такой аппарат, — 36 км. И всё равно пластическая деформация оставалась одной из больших проблем при разработке этих колес.
Поэтому внутрь поместили вот такую конструкцию. Это что-то вроде жесткого упора. Если аппарат наезжает на какую-нибудь кочку и колесо деформируется, эта штука мешает ему прогибаться дальше. И таким образом, деформацию удается держать в тех пределах, в которых материалы сохраняются упругими. Такие колеса вполне годились для коротких заездов в рамках миссии Аполлон. Если необходимо, чтобы аппарат мог передвигаться дольше, упор не спасет от пластических деформаций, которые накапливаются со временем.
Колеса с остальной сеткой испытывали на земле, и выяснилось, что со временем их эффективность падает. Эта шина на стальных пружинах, её мы сделали, испытали на той же установке. Тут никаких пробоев нет, но видно, что осталась постоянная деформация. В идеале нам нужен материал прочный, долговечный, как сталь, но который при этом сможет выдерживать гораздо больше информации. Вот тут и пригодится наш волшебный металл.
[музыка] В 1961 году военно-морская артиллерийская лаборатория проводила испытания различных сплавов с никелем и титаном. Образец, который испытывали много раз, нагревали и остужали, показали одному из технических директоров, которые по случайному совпадению курил трубку. Он решил посмотреть, что будет, если подогреть образец на зажигалке. Он поднес огонек и увидел, что образец изменил форму. Все собравшиеся сильно удивились, и материал стали изучать тщательнее. Он получил название не тянул в честь металлов никеля и титана, англоязычного сокращения имени лаборатории Н О Л.
Так почему же не тянул меняет форму? Дело в том, что сплав может совершать фазовый переход, оставаясь твердым. В нагретом состоянии атомы выстраиваются в кубическую решетку. Это состояние называют аустенитом. В нем атомы расположены менее симметрично. В таком состоянии к материалу можно применять воздействие и деформировать его. Но в отличие от обычных металлов из него получается неспаренный мартенсит. Если его нагреть из мартенсита, мы снова получим аустенит. То есть все атомы вернутся на свои старые места, а материал снова примет форму, которую ему придали изначально.
Мы можем задать вот такую форму в качестве изначальной. Свойство материала, кстати, называется памятью формы. Теперь растягиваю эту штуку. Если охладить, то я бы мог еще сильнее растянуть, но стоит снова нагреть — эта проволочка складывается, как была изначально. Благодаря таким свойствам не тянуло называется сплавом с памятью форм. Первоначально форму задают при высокой температуре в состоянии аустенита, затем его охлаждают, и он переходит в фазу мартенсита. Если в этом состоянии к материалу применить какое-то воздействие, его можно значительно деформировать, изменив кристаллическую решетку до состояния неспаренного мартенсита.
Когда воздействие прекращается, деформация по большей части сохранится. Но если образец я едва опустил её в воду, она уже... ну вот так срабатывает. Как только ей передается тепло или как только его отводят, так здорово! Это свойство не тянуло довольно широко известно. Благодаря нему сплав оказывается многов в чем полезен. Это стенд: их немного охлаждают так, чтобы получить мартенсит, а потом сжимают и вытягивают. Как видите, получается очень тонкая штучка. Затем помещают в катетер, который вводят туда, куда им нужно.
Установив стенд, как только он оказался в нужном месте, он быстро собирается. Внешний диаметр увеличивается и раздвигает стенки артерии. Для этих целей не тянуло идеален. Сплавы с памятью могут создавать большие силы при нагревании, благодаря чему их можно использовать в качестве приводов. Будет видно, как растут силы и напряжения в пружине по мере того, как мы её нагреваем.
Вот тут сила, с которой она тянет — два с лишним килограмма, три. Видно, как она сжимается — шесть килограммов, семь, восемь. Поднимается — это около 93 Ньютонов силы. Ученые даже использовали сплавы с памятью формы, чтобы раскалывать камни. Такие материалы хотят использовать и в авиации. В одном из видео я рассказывал о завихрителях — маленьких гребешках на крыльях самолетов, которые создают турбулентность при вздутии и посадке. Они помогают избежать срыва воздушного потока и сваливания самолета уже во время полета, когда турбулентность не нужна.
Неплохо бы завихрителя как-то спрятать. Там они только мешают, пока самолет взлетает и набирает высоту. Температура меняется от той, которая внизу на земле, до -50-60 градусов Цельсия. Мы специально готовим сплав для работы в нужном диапазоне, и это позволяет использовать для контроля температуру воздуха. Завихритель остужается сам по себе, без участия человека. Без управления просто складывается. Температура, при которой происходит, можно отрегулировать и установить в промежутке от минус 50 до плюс 350 градусов Цельсия. Всё зависит от соотношения металлов и особой термообработки.
А потом, когда опять пойдет нагрев, при снижении он снова поднимается. Этот принцип применяли для управления основными закрылками самолета. Правда, изменения температуры в этом случае происходили за счет нагревательного элемента. Мы проводили демонстрации на 737. Никакой гидравлики на крыльях. Вместо этого закрылками управляли две нитиноловые трубки, и у нас получилось контролировать все системы на крыле Боинга 737 во время полета. Опускали закрылки на 60 градусов и поднимали на 30, просто нагревая и остужая две трубки из нитинола.
И не заменили всю гидравлику. Когда речь заходит о материалах вроде не тянуло, лучше всего знают как раз о таких вещах, как память формы. Но у него есть и другое уникальное свойство, благодаря которому он идеально подходит для изготовления долговечных колес. Если взять такую проволоку, пару раз обмотать вокруг руки, а потом потянуть, можно почувствовать, как она растягивается сама по себе на 6-8 процентов. Очень странное ощущение. Эта деформация на 6-8%. С другими металлическими проволоками такого не сделаешь.
Странно, она как будто похрустывает. Это переориентируется кристаллическая решетка. Очень непривычно, но классно, ведь правда? Очень здорово! Слышите? Да, только послушайте! Это как раз изменяется решетка. Сплавы с памятью формы можно растянуть до восьми процентов, и они спокойно вернутся в исходную форму. Это свойство называют сверхэластичностью или псевдоэластичностью.
Но бы эти названия несколько неточные, потому что эластичные свойства материала тут ни при чем. А происходит вот что: не тянуло находится в состоянии аустенита. Температура фазового перехода ниже комнатной, но создавая напряжение, даже если не менять температуру, можно заставить кристаллическую структуру перейти из аустенита вниз в мартенсит. Это изменение позволяет не тянуло деформироваться на 8 процентов, но затем все равно возвращаться в прежнее состояние, как только воздействие прекратится, и атомы вернутся в состояние.
Да, сейчас вы слышите звук, с которым под воздействием стресса материал в твердом состоянии переходит из фазы в фазу. Вот наш график напряжения-деформации. Трансформация происходит в области выше температур нужных для перехода в мартенсит. Сначала материал в состоянии аустенита. Воздействие, которое к нему применяется, провоцирует изменения в неспаренный мартенсит. А когда мы убираем воздействие, атомы заново выстраивают структуру аустенита, и материал возвращается в исходную форму и размер.
Если взять обычную трубку и согнуть, то сюда пошла бы пластическая деформация. Трубка, скажем, из латуни, которая обладает свойством корабления, дошла бы до сюда, потом потеряла бы форму. Я бы не смог взять её вот так согнуть, чтобы она сама разогнулась. При сгибании не тянуло сначала из аустенита переходит в мартенсит, а потом обратно. При переходе от более строгой симметрии, какой будет процесс — экзотермический или эндотермический? Мне кажется, должен быть.
Если взяться за эту трубку, можно почувствовать тепло, энтальпию, выделяющуюся при этом переходе. Готовы? Да! О да, прям горячо! Ой, она практически обжигает. Сразу хочется руку убрать. Не убирайте, не обожжетесь! Когда мы перестаем сгибать материал, он возвращается из мартенсита в аустенит. Происходит эндотермический процесс, тепло поглощается. Чувствуете? Это можно как-нибудь использовать в холодильниках? Именно!
Еще эти материалы сейчас пробуют применять в области, которую называют эласто-калорика, там деформация нужна для перекачки тепла. Хочется поснимать термокамерой, мы с собой захватили. Ну как он рассеивает тепло? Примерно так же, как обычные амортизаторы. Сама машина может поглощать некоторое количество ударной нагрузки, она выступает еще и как амортизатор, благодаря способности рассеивать энергию.
В итоге сама по себе шина может стать полноценной системой подвески, что очевидно упрощает конструирование роверов для космических миссий. Если на самую первую шину надавить, то можно увидеть, что нагрузка передается от места соприкосновения. Но вот этот небольшой участок, если прикрепить жесткий упор вот так, то, как видите, нагрузка будет распределяться по всей шине целиком. Получается, мы значительно повышаем способность выдерживать нагрузку, при этом не увеличивая массу.
Итак, чтобы изготовить пружинок, это довольно трудоемкий, затратный и долгий процесс. [музыка] Серьезно, вы этим целыми днями занимаетесь? 684 раза. 684 раза — это одна шина. Но окажутся ли эти колеса полезными для луноходов и марсоходов? Их тщательно испытывают на установке с разными типами грунта: на песке, на щебне, на камнях покрупнее. Испытательный аппарат — это карусель с разными типами поверхности и система, куда крепится, собственно, колесо. Они вращаются независимо друг от друга, что позволяет симулировать различные ситуации.
Например, проскальзывание колеса. Марсоход будет ездить примерно с такой скоростью. Довольно медленно, в среднем 6,7 см в секунду. Мы никуда не торопимся. По искусственной поверхности Луны? Похоже на пляж, по ощущениям тоже как пляж. В этой части имитируется поверхность Луны. А тут поверхность в этом песке. Ноги легко проваливаются. Колесо катится, катится... Опа, камень! А дальше мне его просто толкать вперед или перекатывать. Перекатывать — и можешь навалиться всем телом.
Ну вот, сейчас давлю всем весом. Сплав с памятью формы вполне способен выдержать вес Ровера с экипажем внутри и при этом очень гибкий — 8 процентов деформации без повреждений. Именно это и нужно для длительных космических миссий. Довольно сильно можно гнуть и мять. Да, очень сильно! И это всё еще не 8 процентов. Такой упругий! Ну погуляли по пляжу и хватит. Роверу тут не просто. Эти шины пригодятся не только на других планетах. Им найдется применение на земле.
У большинства самолетов шины требуют очень-очень большого давления — две почти три тысячи килопаскалей. Это куда больше, чем 200-300, которых хватает машинам и грузовикам. Проблема в том, что вместе с давлением растет риск, что они лопнут. Другая проблема — это обслуживание. Для обычных пневматических шин очень важно, чтобы давление внутри не снижалось. Его надо регулярно проверять: если его слишком мало, то увеличивается расход топлива. Если слишком много, камера может просто лопнуть.
Используя конструкции, которым воздух не нужен, которые созданы специально под наши задачи, таких проблем не будет. Новые шины уже испытали на джипах, поскольку колесам не нужен воздух, пробить шину в принципе невозможно. Да и потеря давления вам не грозит. Что сильно экономит топливо. Шина из этого волшебного материала поможет нам ездить по бездорожью, дорогам, подниматься в воздух и даже исследовать другие планеты.