Metamaterial transforma força linear em rotação - sem virabrequim


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Pesquisadores alemães sintetizaram um metamaterial que responde a uma força de compressão com uma rotação, algo que normalmente só pode ser feito usando uma transmissão e um eixo de manivelas.

Torres de até 500 estruturas cúbicas quirais transformam uma carga linear em rotação -
estruturas similares não-quirais não apresentam esse comportamento inusitado.
Imagem: T. Frenzel/KIT

Pense no motor do seu carro, por exemplo. A compressão gerada pela explosão do combustível dentro do cilindro gera um movimento linear do pistão. O pistão empurra a biela, uma haste móvel, que por sua vez é conectada ao eixo de manivelas, ou virabrequim. É o virabrequim que produz a rotação, que irá para o câmbio e depois para as rodas do carro.

O novo material artificial, criado como uma matriz cuidadosamente arranjada de pequenos cubos, faz isso de forma direta e simples, sem necessidade de múltiplas peças ou sistemas de transmissão e conversão.


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"Se uma força é exercida de cima sobre um material [qualquer], ele pode se deformar de várias maneiras. Ele pode ficar abaulado, ser comprimido ou dobrado. De acordo com as regras válidas da mecânica, no entanto, ele não vai girar," explica o professor Martin Wegener, do Instituto Karlsruhe de Tecnologia.

Isso, é claro, vale para os materiais naturais, mas não para os materiais artificiais - ou metamateriais - produzidos pelo homem seguindo regras matematicamente precisas. Por exemplo, os materiais auxéticos podem esticar quando comprimidos. Por isso a equipe não se impressionou muito com essas regras básicas da mecânica e partiu para desafiá-las.

Movimento linear convertido em rotação

"Por meio de uma simulação computacional, desenvolvemos um projeto com esta nova propriedade mecânica nunca descrita até agora. Nossos cálculos revelaram que o comportamento desejado é apresentado por uma estrutura quiral complexa, ou seja, uma estrutura que não pode ser sobreposta sobre sua imagem espelhada, semelhante às mãos esquerda e direita," contou Tobias Frenzel, que idealizou a nova estrutura.

A estrutura é formada por barras e anéis que, juntando-se, formam cubos; os cubos, por sua vez, precisam ser conectados uns aos outros de forma precisa.

"Os braços que conectam os anéis com os cantos dos cubos movem-se verticalmente para baixo quando uma carga lhes é aplicada. Esse movimento leva a uma rotação dos anéis. Esse movimento de rotação, por sua vez, transmite forças para os cantos dos planos horizontais do cubo, de forma que a estrutura inteira começa a girar em torno de seu eixo," explicou Frenzel.

Ilustração mostra como a força de compressão, um movimento linear,
é transformada em movimento rotacional.
Imagem: T. Frenzel/KIT

Aplicações práticas

Os primeiros protótipos são formados por cubos de 100 a 500 micrômetros de aresta, que são empilhados para formar estruturas de até 2 milímetros de altura.

Embora haja a possibilidade de usar essa tecnologia em micromáquinas e em sistemas de amortecimento, a equipe pretende testar configurações maiores, para ampliar as possibilidades de uso do material.

A mesma equipe já havia usado essa técnica de projetar matematicamente os materiais para criar um manto da invisibilidade para o calor e escudos acústicos.

Bibliografia do estudo aqui.

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