沙堡并不以其结构稳定性而闻名;即使是最坚固的海边堡垒也无法抵挡海浪的冲击和恶霸的一脚。
但是，如果你不是用圆圆的沙粒，而是用星星建造你的城堡呢?
杜克大学研究生赵玉晨(音译)测试了由六臂星或“六面体组成的塔的稳定性
杜克大学研究生赵玉晨(音译)去年花了一年的时间来研究这种由数百颗六臂星或“六足动物”组成的“星星沙堡”
2塔。这些六臂星或“六足动物”与你小时候可能玩过的千斤顶有着惊人的相似之处。
为了建造这些塔，赵只是把星星倒进一个中空的管子里，然后把管子拿开。但与沙柱不同的是，这些塔能独立站立，在震动时挺直，甚至能承受两倍于自身重量的重量。
“当你移开支架，你会看到恒星粒子真的挤在一起了!””赵说。“没有人确切理解这种僵化是如何产生的。”
沙子是粒状材料的一个经典例子，就像其他类型的粒状材料一样，大米、面粉、大理石，甚至是一袋袋的千斤顶，有时像液体一样倒出来，有时“堵塞”起来，形成坚硬的固体。
杜克大学物理学教授、赵的顾问、粒状材料专家鲍勃·贝林格(Bob Behringer)说，对于圆形和球形粒子，干扰的物理学已经得到了很好的研究。但对于形状更复杂的粒子(如六足类)的干扰，人们了解得就少得多。
贝林格说:“一旦你离开球体，你就可以轻而易举地制造出堵塞的系统。”“人们认为他们理解这些系统，但关于它们的行为，仍有许多悬而未决的问题:它们是如何断裂的?”或者它们对剪切应力有何反应?”
贝林格说，这些问题不仅引起了物理学家的兴趣。建筑师Karola Dierichs和Achim Menges是该项目的合作者，他们正在试验使用定制设计的颗粒材料，从六足到挂钩，来创建像墙和桥这样的结构。
与沙堡或鸟巢类似，这种结构可以多孔、轻盈、可回收，甚至具有适应性。
“他们的一个重要想法是，你真的能设计一个可以自己建造或随机建造的结构，而不是设计一些非常精确的东西吗?””赵说。
赵说，他的项目的第一个目标仅仅是探索由六足动物建造的塔楼的物理极限。为了做到这一点，他用两种不同的材料建造了大小从2厘米到10厘米不等的恒星塔。对于每一种组合，他都研究了在塔倒塌前他能把它建多高。然后，他让塔承受各种压力，包括振动、倾斜和增加重量。
赵说，最令人惊讶的发现之一是，无论是由光滑的丙烯酸还是更粗糙的尼龙
2制成的
2颗粒之间的摩擦对塔的稳定性影响最大。他还指出，当这些塔倒塌时，它们不仅会倒塌成一堆，还会在一系列小型雪崩中倒塌。
一个由ct扫描数据重建的恒星塔的三维图。红点表示星星之间的接触点。图片由Jonathan Bares提供。
研究小组已经在《粒状物质》杂志的特刊上发表了这项初步研究，他们希望将其作为“机械规则手册”来改进骨料结构的设计。
作为实验的下一步，赵和他的合作者Jonathan Bares正在杜克SMIF实验室使用CT扫描仪对这些结构的“骨架”进行详细的3D成像。通过这些数据，他们希望能更好地理解恒星之间的所有个体接触是如何构成一个稳定的塔的。
前杜克大学博士后乔纳森·巴雷斯(Jonathan Bares)说:“看到这些粒子如何形成能够承受大载荷的稳定结构，真是令人惊讶。”“仅仅改变粒子
2的一个小特性，它们联锁
2的能力就会在系统的行为上产生巨大的变化。”
引文:“3D明星的包装:稳定性和结构。赵玉晨，刘凯文，郑马修，乔纳森·巴雷斯，卡罗拉·迪特里奇斯，阿希姆·蒙格斯和罗伯特·p·贝林格。颗粒物质，2016年4月11日。DOI: 10.1007 / s10035 – 016 – 0606 – 4
作者:Kara Manke
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://researchblog.duke.edu/2016/05/10/sandcastles-of-stars-make-stable-structures/