Sûr, ce sont des métaphores mixtes, mais tout comme la modélisation est une estimation proche des processus du monde réel, il en va de même des explications verbales d'une arithmétique aussi nuancée. Trisha Sain, professeur assistant en génie mécanique, explore la physique multi-échelle en pensant aux briques LEGO de son salon, les fenêtres des gratte-ciel et cuisiner un festin.

Avant d'égoutter nos nouilles, posons quelques bases pour l'étude des matériaux composites. Les composites sont constitués de plusieurs matériaux qui combinent différentes propriétés mécaniques et chimiques, et idéalement, de telles combinaisons de microstructures sont avantageuses pour tous pour maximiser les propriétés souhaitées. Mais les combinaisons créent plus de complexité, surtout lorsqu'ils sont exposés à des environnements extrêmes.

Par exemple, Les recherches de Sain portent sur les composites polymères renforcés de fibres pour l'US Air Force. Les matériaux doivent résister à l'humidité, Chauffer, froid et peut-être quelques explosions. "Ces matériaux peuvent supporter de tels extrêmes, " dit-elle. " Le problème est que, comme tous les matériaux, ils vieillissent. Nous étudions cette dégradation."

Ce qui nous ramène aux spaghettis. Sain a dit comprendre le comportement des composites et comment ils réagissent au vent, pluie, le froid et d'autres facteurs environnementaux, c'est comme démêler un bol de nouilles spaghetti. Polymères, qui sont de longues chaînes carbonées, envelopper et tordre un peu comme des pâtes cuites. Si la chimie et les propriétés mécaniques spécifiques des composites sont bien connues, Sain veut savoir ce qui se passe lorsque les nouilles rencontrent la sauce :comment les polymères interagissent avec des facteurs environnementaux tels que l'air ou la chaleur ou leur absence.

Et, un peu comme on ne commande pas un plat de "nouilles-tomates-basilic-et-origan" dans un restaurant, les composites dans le monde réel ne sont pas utilisés ou évalués par leurs ingrédients microstructuraux. Pour comprendre les spaghettis composites, Sain étudie la parabole dans son ensemble, testant chaque matériau à plusieurs échelles et prototypant des pièces d'équipement entières. Pour modéliser la dégradation de ces matériaux dans le temps, elle doit assembler tout un festin de calculs - à partir des nouilles des chaînes d'un polymère, à la plaque d'un panneau, au buffet de toute une machine.

"Donc, notre objectif est de capturer la bonne physique à chaque échelle et de transférer les informations d'une échelle de longueur à une autre de manière cohérente, " a déclaré Sain. Cela nécessite une sorte d'homogénéisation mathématique appelée calculs "à la volée", elle a expliqué. « Pouvons-nous capturer ces caractéristiques avec un cadre de modélisation qui traverse en douceur d'une échelle à l'autre ? Parce que ce n'est pas seulement une échelle de longueur différente ; c'est une physique différente, et chacun de ces processus physiques peut se produire à une échelle de temps différente. »

Une autre façon pour Sain d'expliquer comment ses modèles s'étendent sur plusieurs échelles est de penser aux briques LEGO. Les blocs s'emboîtent de manière spécifique, et certains s'emboîtent mieux que d'autres selon la conception.

« Mais si vous essayez de créer un bâtiment de campus entier avec des LEGO, tu vas avoir des problèmes, " dit Sain. A plus grande échelle, la physique et le comportement des matériaux changent. En termes d'architecture de modèle, l'homogénéisation à la volée permet aux calculs du modèle de passer du comptage des appuis de fenêtre, pour voir la fenêtre, puis comptabiliser le mur entier avec toutes ses fenêtres. Par comparaison, les modèles discrets plus simples doivent utiliser des limites strictes entre les calculs de seuil/fenêtre/mur.

"Essentiellement, notre objectif n'était pas de tailler rapidement les écailles mais de les parcourir en continu, " a déclaré Sain. "Nous appliquons une approche statistique des systèmes mécaniques au sein de l'échelle de longueur du polymère - l'échelle de longueur de la fenêtre - mais nous essayons toujours de garder à l'esprit que les descriptions statistiques et mécaniques de tout ce que nous calculons doivent être applicables à une plus grande longueur - la balance murale."

Des glissades si gracieuses entre les écailles, peu importe si le matériau est nouille-y, Plastique, vitré ou renforcé de fibres, permettent à Sain de prédire et d'évaluer la dégradation des composites avec plus de facilité et moins d'argent que les expériences traditionnelles.