智能结构将如何工作|如何工作

与自然界的许多致命力量不同，地震几乎总是毫无征兆地袭击。这些毁灭性的力量可以在几秒钟内摧毁城市，留下废墟和悲剧。地震并不局限于世界上的任何一个地区或一年中的任何一个季节。虽然大多数地震只是轻微的震动，但只要发生一次，就会造成数百万美元的财产损失和数千人死亡。出于这个原因，科学家们继续寻求新技术来限制地震造成的破坏。

在公司的主研究人员认为，他们已经在北卡罗来纳州卡里的实验室开发出了圣母大学研究人员发明了一种最新的产品，可以减少地震造成的破坏。洛德是一种独特物质的最大生产商之一，叫做磁流变液(MR流体)，它被用于大型阻尼器内，以在地震期间稳定建筑物。磁流变液是一种液体，当受到磁力时，它会变成近固体，一旦磁力消失，它又会变回液体。

在地震时，阻尼器内的磁流变流体会从固体变成液体，然后随着地震激活阻尼器内的磁力而变回来。在建筑物上使用这些阻尼器桥梁将创建智能结构自动对地震活动做出反应。这将限制地震造成的损失。在本期的物品如何工作，您将了解更多关于磁流变流体及其改变状态的能力。我们还将研究如何将新的和旧的建筑物变成智能结构。

什么是磁流变液

看着烧杯里的它，流体先生看起来不像是革命性的东西。它是一种灰色的油性液体，密度是水的三倍。乍一看并不是很令人兴奋，但MR流体实际上是非常令人惊讶的。

北卡罗来纳州实验室的物理学家大卫·卡尔森(David Carlson)做了一个简单的演示，展示了液体在几毫秒内转变为固体的能力。他把液体倒进杯子里，用铅笔四处搅拌，以显示它是液体。然后，他在杯子底部放置一块磁铁，液体立即变成接近固体的物质。为了进一步证明它变成了固体，他把杯子倒着拿，没有MR液体掉出来。

典型的MR流体由以下三部分组成:

羰基铁颗粒——20%到40%的液体是由这些直径只有3到5微米的软铁颗粒组成的。一包干燥的羰基铁颗粒看起来像黑色的面粉，因为这些颗粒非常细。
载体液铁颗粒悬浮在液体中，通常是碳氢化合物油。水常用于演示流体。
专有的添加剂MR液体的第三种成分是一个秘密，但Lord说，这些添加剂是为了抑制铁颗粒的重力沉降，促进颗粒悬浮，增强润滑性，改变粘度和抑制磨损。

那么，是什么赋予了磁流变液从液体转化为固体以及从固体转化为液体的独特能力，比你眨眼的时间还快?羰基铁颗粒。当磁铁作用于液体时，这些微小的颗粒排列起来，使液体凝固成固体。这是由直流磁场引起的，使粒子锁定在一个均匀的极性。物质变硬的程度取决于磁场的强度。拿走磁铁，粒子立即解锁。

虽然科学家们最近才发现磁流变液的许多新应用，但它实际上已经存在了50多年。雅各Rabinow他在20世纪40年代在美国国家标准局(现为美国国家标准局)工作时发现了MR流体国家标准和技术研究所）.

直到大约1990年，磁流变液的应用很少，因为没有办法适当地控制它。今天，有数字信号处理器快速、廉价的计算机可以控制施加在流体上的磁场。这项技术的应用包括鹦鹉螺号运动设备，洗衣机减震器，汽车减震器先进假肢．

在下一节中，我们将看看这种MR技术在地震中的应用，它可能对拯救生命和防止建筑物倒塌有最大的影响。

建筑物及桥梁

摩天大楼和长长的桥梁易受强风和地震活动产生的共振影响。为了减轻共振效应，在设计中加入大型阻尼器来中断谐振波是很重要的。如果这些设备不到位，建筑物和桥梁就会被震倒在地，就像地震发生时所看到的那样。

阻尼器用于机器，你可能每天使用，包括汽车悬挂系统和洗衣机．如果你看一看关于洗衣机的How Stuff Works文章，你就会知道阻尼系统利用摩擦来吸收振动中的一些力。建筑中的阻尼系统要大得多，也是为了吸收地震的剧烈冲击而设计的。阻尼器的大小取决于建筑物的大小。阻尼系统有三种分类:

被动—这是一种不受控制的阻尼器，不需要输入电源即可运行。它们结构简单，成本一般较低，但无法适应不断变化的需求。
活跃的主动阻尼器是主动推动结构以抵消扰动的力发生器。它们是完全可控的，需要大量的能量。
半主动-结合被动和主动阻尼的特点。它们不是推动结构，而是用可控的阻力来抵消运动，以减少运动。它们是完全可控的，但只需要很少的输入功率。与有源装置不同，它们没有失控和破坏结构稳定的可能性。磁流变流体阻尼器是半主动装置，通过改变提供给内部的电流量来改变其阻尼水平电磁铁用来控制磁流变液的流动

全尺寸MR流体阻尼器，长1米，重250公斤。这一个阻尼器可以在建筑物上施加20吨(200,000牛)的力。

图片由Lord Corp提供

在磁流变流体阻尼器内部，一个电磁线圈是围绕着三个部分的活塞．大约5升MR流体被用来填充阻尼器的主室。地震发生时，安装在建筑物上的传感器会向计算机发出信号，向减震器供电。然后电荷磁化线圈，使磁流变液从液体变为接近固体。现在，电磁铁可能会随着振动在建筑物中波动而产生脉冲。这种振动将导致磁流变流体每秒从液体变为固体数千次，并可能导致流体温度上升。一个热膨胀蓄能器固定在阻尼器外壳的顶部，以允许流体在加热时膨胀。这个蓄能器可以防止液体膨胀时出现危险的压力上升。