Японцы доказали, что структура стебля бамбука является самой оптимальной

Москва, 20:52, 01 Июн 2017, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Пространственное распределение волокон в полых бамбуковых цилиндрах идеально оптимизировано для усиления жесткости на изгиб. Это открытие японских ученых является новым  биомиметическим подходом в разработке материалов.

Легкий и прочный, бамбук широко используется в качестве природного материала в Японии и других азиатских странах. Бамбук легок из-за своей полой структуры, которая позволяет расти быстрее, с малым количеством одревесневших частей. Но из-за этой легкости и листьев, бамбук уязвим для сильного бокового ветра, и может испытывать затруднения в поддержке своего собственного веса. Чтобы преодолеть этот недостаток, одревесневшие части бамбука укреплены тонкими, но прочными волокнами в виде пучков. Каждое волокно является таким же жестким, как сталь.

Рассмотрение поперечного сечения бамбука показывает, что волокна в древесной части распределяются неравномерно. Плотность волокон становится постепенно выше от внутренней части к наружной поверхности, предполагая, что внешние детали, строго говоря, прочнее, чем внутренние части. Это разумно, потому что внешние части получают больше напряжения, когда цилиндр изогнут.

Чтобы определить взаимосвязь между распределением армирующих волокон в стебле и его изгибной жесткости, исследователи из Японии сравнили данные о распределении волокон реального бамбука с полученным теоретическим путем оптимальным распределением волокон.

Удивительно, но реальный бамбук имеет почти такое же распределение волокон, как и теоретически оптимальное. Возле самого корня, где находится большое количество волокон, реальное распределение волокна соответствует теоретической производной квадратичной формы для градиентного распределения. Рядом с верхушкой стебля, где находится гораздо меньше волокон, чем у корня, экспериментальные данные соответствуют линейному распределению, рассчитанному в соответствии с теорией.

В результате, исследователи обнаружили, что бамбук точно регулирует распределение волокон, поэтому его изгибная жесткость достигается благодаря наименьшему возможному объему древесного материала. Таким образом, механические теории, используемые в настоящем исследовании, могут быть применены к другим полым цилиндрам, чтобы определить градиент распределения, который может оптимизировать изгибную жесткость.