Гибкие механизмы лучше [Veritasium]
[музыка] Что общего у этого реактивного двигателя, пластикового инструмента и механического микропереключателя? Ответ — компоненты, которые гнутся, так называемые гибкие механизмы. Как-то я выступал в Юти, даже костюм надел. Там я познакомился с этим человеком, хаул, профессором инженерной механики.
Всегда считалось, что в гибкости механизма нет ничего хорошего. Мы решили взять эту ненавистную гибкость, которой все пытаются избежать, и превратить её в преимущество, добиться с её помощью чего-нибудь интересного. Профессор Хаул даже написал книгу о гибких механизмах — самая цитируемая работа. Он говорит, без тени высокомерия, только послушайте, как он рассказывает о механизме кото... работа для того, чтобы предотвратить случайность свани ядерного оружия.
Что? Ну да. Нет-нет-нет, подождите-ка, для ядерного оружия? Да ну, как в пистолетах — это предохранитель. Ну да, если и стоит думать о том, что в мире должно быть безопасным и не должно сработать случайно. Да, конечно, это вполне очевидно. Разумеется, лучше, чтобы ядерные боеголовки сами не взрывались.
Но чем тут поможет подобная штука к этому устройству? Мы вем поз ко преимущества дают гибкие устройства. Ух, здорово! Начнём с самых основ. Так, наверное, первая моя разработка — вот этот механизм. Это своего рода гибкие плоскогубцы: можно положить что-нибудь вот сюда и вообще-то действовать будет довольно большая сила.
Поместим сюда, например, мелок, и вот он переломился. А что будет, если засуну туда палец и надавить? Вы закрите от боли. Хотите проверить? Вообще хочу. Мне интересно посмотреть, насколько сильно... Да, хорошо, но на ручки вам придётся самому нажимать. А то... Ну если хотите, давайте я буду жать, пока вы не закричите.
Ладно, только не так! Мне очень быстро стало очень больно! Ощущения такие, как будто сильно сжали клещами. Эта штука и правда подозрительно напоминает зажимные клещи, но с гибкими частями. Там, где обычно шарниры.
С профессором Хуем я узнал, что у гибких механизмов есть ряд преимуществ перед обычными. Но мне показалось, что описывал эти преимущества он как-то слишком сложно и непонятно, поэтому я собрал их в список, и получилось восемь достоинств гибких механизмов.
Первый пункт — количество составляющих. Гибкие механизмы имеют меньше частей, потому что гнутся в тех местах, где в аналогах шарниры, гайки и отдельные пружины. Эта хваталка, например, представляет собой один кусок пластика, но делает то же самое, что и более сложной конструкции.
А на сколько здесь сила больше? Стоит считать 30 к, то есть прилагая силу в о фунт на выходе, получаю 30. Довольно неплохо. И производить, наверное, очень дёшево. Да, совсем недорого. Образец мы делали сами, но можно представить, что они будут изготавливаться инжекционным формованием. Это будет стоить буквально н... Да, очень.
Второй плюс — форма. Делая заготовку, и просто нарезает, производить их разными довольно дешевыми способами. Такой переключатель цельный кусок пластика спокойно заменит сложное устройство с пружинами и множеством жёстких элементов. И пригодится, если руки надо чем-то занять.
А сколько такой прослужит? Мы проводили испытания на прочность, и он без перебоев пережил больше миллиона циклов. А это у вас? Что такое? Дек! У меня есть для вас тестик. Ой, вот какой вопрос. Если знаю, это слон точно.
Итак, если я нажму в области крестца в этом направлении, вот здесь, за него возьмусь, тут отверстие. Так вот, когда я нажму, куда оно пойдёт? Влево, вправо, вверх или вниз? Вообще мне хочется ответить на уга, даже не задумываясь. Можно? Да, конечно, я думаю, вверх и как бы внутрь.
Хорошо, мне кажется так, потому что вроде бы, для она вполне естественна подкрутить хобот в этом направлении. Да, логично. Ну и ещё, потому что, наверное, если вот здесь часть сдвинется сюда, то вот это пойдёт вправо и вверх. Отличные аргументы! Не знаю, правда, хорошие. Ну, по крайней мере, они есть.
В общем, конструкция такова, что если нажать сюда, отверстие остаётся на месте — оно никуда не смещается. Я знал, что тут есть какой-то подвох. Да, это вопрос с подвохом. Раз уж я попался сам, то не мог не проверить с Кана!
Штука здорово. Я не поняла, как за основу взят механизм, которым пользуются в аэродинамических трубах, там, где хобот крепят модель. И такая система позволяет задавать крен, чтобы сама модель не сдвинуться, то есть она остаётся на месте, но как бы крыльями машет.
Да, подобные устройства демонстрируют, что гибкие механизмы способны совершать очень точные движения, что для меня оказалось неожиданностью, потому что в них есть гибкие части. Но может, это не так уж удивительно. Во-первых, при движениях гибкого механизма нет люфта.
Его причина во многом зазоры в шарнирах. По сути, это дырка, куда вставлен штырёк. Направление движения деталей меняется с задержкой, потому что в шарнирах есть пустое пространство. Из-за этого механизмы изнашиваются, и их нужно смазывать. С гибкими механизмами такой проблемы нет, поэтому они показывают себя лучше привычных аналогов.
А вот моё любимое! Да, мне тоже больше всего нравится! Смотрите, как щёлкает. Здорово! Какой же приятный звук. Идея для этой вещицы появилась, когда мы работали на микроскопическом уровне. Делали гибкие механизмы на чипах, нам пришлось научиться изготавливать их из кремния, а он хрупкий как стекло.
Сделать нечто подобное из материала, похожего на стекло, невероятно сложно. Однако это означало, что если у нас получится, мы справимся, например, и с лаа пластиком. А это тоже не идеальный материал для гибких механизмов. Можете зайти на наш сайт, и там всё расписано — ищите файлы и делайте сами, размещу ссылку в описании. Договорились?
Да, щелкает отлично! И ещё! Мне нравится, что когда возвращаешь назад, оно так резко встаёт на место. В этом есть что-то очень приятное. То есть вот эти штуки движутся? Да, да! Именно, я обязан это увидеть. Ладно, хорошо, покажем.
А там это что? Выравнивать в гораздо меньшем размере? Гия как фотолитография. Итак, мы добиваемся необходимых точных движений на микроскопическом уровне. Потрясающе! Далее благодаря упрощённой конструкции, податливые механизмы гораздо компактнее и весят меньше, а значит отлично подходят для применения в космосе.
А это совместные наработки с НАСА. Это шарнир, который можно использовать в механизме для развёртывания солнечных панелей. Это Титан, распечатывается туда-сюда.
Что логично, но чтобы настолько кусок титана гнулся на 90 градусов в обе стороны, выходит отклонение на 180°. Это чистый Титан, это цельный кусок титана, сделанный на 3D принтере, то есть не сплав безо всяких добавок для гибкости.
Нет, ничего такого. Есть кое-что ещё более странное. Вот такой дружочек! Чуди много деталек, и у каждой своё назначение. Вот гибкие стяжки, тут два управляющих элемента. Опять же разрабатывали с НАСА для маневровых двигателей, подсоединяется здесь, и двигатель можно поворачивать в любую сторону.
Этот кусок титана обеспечивает контроль. Заметьте, тут всё гнётся и нет никаких зажимов, в которые могут попасть электрические провода или топливная магистраль. Такой цельный титановый компонент позволяет вместо двух двигателей поставить всего один — это центробежная муфта.
Вот как она работает: если быстро раскрутить, а она гибкая, внешняя часть будет стремиться наружу и прижмёт к цилиндру, и начнёт раскручивать всё остальное. А так эта штука как бы расширяется. Да, когда она очень быстро крутится. Мы, по сути, подключаем цилиндр, который снаружи. Примерно так работает, например, электропила: сначала надо хорошенько раскрутить, и тогда уже подключается, собственно, сама цепь, потому что центробежная сила.
Да, здорово! Эта деталь сделана из пластика для наглядности, но вообще она должна быть гораздо жёстче. Так что вот она же и стали. Что? Погодите, вы хотите сказать, что вот эту штуку из самой настоящей стали? Да! Раскручивают до определённой скорости, и она расширяется и передаёт движение внешнему цилиндру. Да, всё так.
В покое она такая, но при некоторой скорости она по плану доходит до определённого числа оборотов в минуту, разгоняет, и она раскручивает цилиндр. Да, я никогда о таком не слышал! Узнал сегодня что-то новое!
Что ж, вернёмся к тому предохранителю для ядерного оружия. Задача устройства — предотвратить воздействие случайных вибраций, намерия, которые могли бы случайным образом привести к пуску оружия. Одно из требований: такое устройство должно быть как можно меньше.
Этого пытались добиться привычными методами, даже брали технологии, которые используют в производстве швейцарских часов. С помощью гибких механизмов изготовили устройство из упрочнённого. То есть это отверстие может пройти два оборота в секунду.
Принцип работы таков: лазерный луч светит на колёсика. Если системе дать серию правильных команд, оно повернётся таким образом, что луч попадет в отверстие, и только тогда процесс пойдёт дальше. Очень важно, чтобы подобные устройства были абсолютно надёжны и работали даже после десятков лет в хранилище.
Устройство сейчас в каждой ядерной боеголовке. Ну, нам не то чтобы об этом докладывали. Мы что-то разработали, сделали прототип, испытали его. А продолжение, как говорят, уже за закрытыми дверями. В общем, это всё секретная информация. Мы понятия не имеем, что там дальше.
Переведено и озвучено студии Верт Дайдер.