Des arènes romaines ont survécu dans de nombreuses régions sujettes aux tremblements de terre. Les Romains ont-ils construit par inadvertance des manteaux d'ondes sismiques lorsqu'ils ont conçu des colisée ? Certains chercheurs pensent qu'ils l'ont fait en raison de la ressemblance des arènes avec les dispositifs d'occultation élastodynamiques expérimentaux modernes. Crédit :David Iliff, licence :CC BY-SA 3.0
Que ce soit la cape d'invisibilité de Harry Potter, qui dirige parfaitement les ondes lumineuses autour des objets pour les rendre invisibles, deviendra jamais réalité reste à voir, mais perfectionner une cape plus cruciale est impossible, une nouvelle étude dit. Il aurait parfaitement dirigé les ondes de stress dans le sol, comme ceux qui émanent d'une explosion, autour d'objets comme des bâtiments pour les rendre « intouchables ».
Malgré un profond doute sur des dizaines d'articles théoriques sur l'occultation "élastodynamique", les auteurs de la nouvelle étude du Georgia Institute of Technology ne pensent pas que les ingénieurs civils devraient complètement abandonner, juste sur l'idée d'une cape idéale. Un masquage limité pourrait encore ajouter un degré de protection aux structures, en particulier contre certaines ondes de stress courantes dans les tremblements de terre.
"Avec le voile, il y a cette attente que si vous obtenez n'importe quel type d'onde de stress de n'importe quel type de direction, une cape doit pouvoir lui cacher l'objet. Nous voyons maintenant que ce n'est pas possible, " a déclaré le chercheur principal Arash Yavari, professeur à la Georgia Tech School of Civil and Environmental Engineering et à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Mais pour une grande classe de perturbations, à savoir les perturbations dans le plan, vous pourriez probablement concevoir une bonne cape."
Lors d'un tremblement de terre, Les perturbations dans le plan sont des ondes sismiques qui suivent des trajectoires plates et larges (ou planes) à travers la surface de la Terre.
Yavari et co-auteur Ashkan Golgoon, un assistant de recherche diplômé étudiant avec Yavari, ont publié leur étude dans la revue Archive pour la mécanique rationnelle et l'analyse , une revue de premier plan sur la mécanique des solides théorique, le 16 mai, 2019. La recherche a été financée par le Army Research Office.
La cape de rêve
Le rêve de se voiler pour diriger les ondes de stress au-delà d'une structure comme s'il n'y en avait même pas a beaucoup en commun avec le rêve d'une cape d'invisibilité, qui courberait la lumière - les ondes électromagnétiques - autour d'un objet puis le pointerait de l'autre côté.
Les ondes lumineuses frappant l'œil du spectateur révéleraient ce qui se trouve derrière l'objet mais pas l'objet lui-même. En occultation élastodynamique, les ondes ne sont pas électromagnétiques mais mécaniques, se déplaçant à travers le sol. Hypothétiquement, masquer l'objet l'isolerait complètement des vagues.
Masquage d'invisibilité illustrant le fonctionnement du masquage à l'aide du masquage électromagnétique. À gauche, ondes électromagnétiques, qui peut être léger, s'éparpiller en frappant le cylindre au milieu. Sur la droite, le cylindre est masqué; les vagues ne se dispersent pas, et à un spectateur debout sur le terrain, il semblerait invisible. Crédit :Creative Commons, upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/73/Circular_EM_cloak_using_transformation_optics.svg/2000px-Circular_EM_cloak_using_transformation_optics.svg.png (2)
Dans un scénario à protéger, dire, un réacteur nucléaire de toute onde de contrainte traversant le sol, qu'il s'agisse d'une calamité naturelle ou d'origine humaine, idéalement, les ingénieurs civils pourraient abaisser la base du réacteur dans un trou sous la surface du sol. Ils construiraient un cylindre protecteur ou un bol souterrain demi-sphérique autour de lui avec des matériaux spéciaux pour diriger les ondes de contrainte autour du cercle.
Il y a des rêves, puis il y a les conclusions de l'étude.
"Nous avons prouvé que la forme du manteau n'a pas d'importance, qu'elles soient sphériques ou cylindriques, vous ne pouvez pas complètement masquer, " dit Yavari.
L'analogie erronée
Beaucoup de théories et de mathématiques de l'occultation électromagnétique (lumière) ont été transférées à la recherche sur l'occultation élastodynamique, et certains des premiers semblent avoir jeté une clé dans le second.
"À plusieurs reprises, les analogies avec d'autres domaines sont utiles, mais l'élasticité ajoute de multiples facteurs physiques que vous n'avez pas dans l'électromagnétisme, " dit Yavari. " Par exemple, l'équilibre du moment angulaire est violé dans une grande partie de la littérature de recherche.
Le moment angulaire est une propriété de la masse en mouvement de rotation, et il résiste aux changements. De nombreuses personnes ont connu un moment angulaire en inclinant un gyroscope en rotation et en le regardant se déplacer obstinément sur une trajectoire inattendue.
Bien que ce soit une vague, la lumière est des photons, qui n'ont pas de masse. Ondes de stress, d'autre part, voyager à travers la matière - en particulier, matière solide par opposition au liquide ou au gaz - et cela ajoute une dynamique pivot du monde réel à l'équation.
Certaines parties de l'Italie et d'autres parties de l'ancien Empire romain le long de la mer Méditerranée se trouvent dans des zones sismiques, pourtant, les arènes romaines se sont avérées robustes pour quelques 2, 000 ans. Certains chercheurs pensent que les anciens Romains les ont conçus par inadvertance comme des capes de vagues mécaniques partielles. Crédit :Wikimedia Commons commons.wikimedia.org/wiki/File:2016_Amatrice_earthquake.jpg
Ces dynamiques affectent également ce trou qui cache l'objet. Sans ça, les ondes de stress voyagent assez uniformément à travers un milieu, mais avec ça, les contraintes se concentrent autour du trou et gâchent la géométrie soignée des modèles de vagues.
Le manteau romain ?
Que faire? Cape quand même. Si la solution idéale n'existe pas, faire un imparfait.
"Les maths disent que la dissimulation n'est pas possible au sens strict. Quand vous comprenez cela, tu ne perds pas de temps, " a déclaré Yavari. "Vous formulez des problèmes qui optimisent avec ce que vous savez autour des contraintes ou des charges ciblées contre lesquelles vous voulez vous protéger."
Les ingénieurs pourraient se protéger contre d'importantes contraintes sismiques s'ils utilisent des matériaux spécialement précontraints, ont certaines propriétés élastiques et la distribution des densités qui sont détaillées dans l'étude. Une cape réelle peut être en deçà d'un idéal tout en restant géniale.
« Si au lieu de 100 % de l'énergie des vagues, je ne ressens que 10 ou 20 %, c'est une affaire énorme parce que l'ingénierie n'est pas une poursuite d'idéaux absolus, " dit Yavari.
Même les anciens Romains, notoirement mathématicien, semblent avoir construit par inadvertance des capes sismiques dans leur conception d'amphithéâtres, selon un rapport du MIT Technology Review. Leur ressemblance avec les dispositifs d'occultation expérimentaux modernes a peut-être contribué à les préserver pendant 2, 000 ans dans les régions sismiquement actives.
La nouvelle étude a également examiné une idée populaire en génie civil selon laquelle la construction avec une famille de matériaux dotés d'une microstructure les rendant "solides de Cosserat" pourrait permettre une dissimulation parfaite. Les auteurs ont conclu que cela ne peut pas non plus fonctionner. L'étude n'a pas pris en compte les soi-disant métamatériaux, qui ont fait l'objet d'une attention particulière pour le réacheminement des ondes lumineuses.
