Forntida kroppspansar har mycket gemensamt med modern kroppsrustning. Båda ger skydd mot vapen men är tunga, skrymmande och oflexibel. Grundidén bakom kroppspansar har inte förändrats särskilt mycket under de senaste tusen åren. Först, rustning stoppar vapen eller projektiler från att nå en persons kropp. Andra, det sprider vapnets energi så att den sista påverkan orsakar mindre skada. Även om det inte är effektivt i alla situationer, rustning kan i allmänhet hjälpa till att skydda människor från allvarlig skada eller död, särskilt mot rätt vapen.
Över åren, människor har fått utveckla starkare och mer avancerade rustningar för att skydda mot allt mer sofistikerade vapen. Dock, trots dessa förbättringar, modern kroppsrustning har fortfarande några av samma brister som gamla former av rustning. Oavsett om den är gjord av metallplattor eller tyglager, rustning är ofta tung och skrymmande. Många typer är styva, så de är opraktiska för användning på vapen, ben och hals. Av denna anledning, medeltida kostymer av plåtpansar hade luckor och leder för att låta människor röra sig, och den rustning som används idag skyddar ofta bara huvudet och bålen.
En av de nyaste typerna av kroppspansar, fastän, är både flexibel och lätt. Märkligt nog, denna förbättring kommer från tillsats av vätska till befintliga rustningsmaterial. Även om det inte är helt klart för strid, laboratorieforskning tyder på att flytande kroppspansar har potential att vara en bra ersättning för eller komplement till skrymmande västar. Så småningom, soldater, poliser och andra kanske kan använda den för att skydda sina armar och ben.
De två primära typerna av flytande kroppspansar som för närvarande utvecklas startar båda med en grund av DuPont Kevlar , vanligt förekommande i skottsäkra västar. När en kula eller en granatsplint träffar en Kevlar -väst, materiallagren sprider påverkan över en stor yta. Kulan täcker också Kevlar -fibrerna, förbrukar energi och saktar ner i processen. Konceptet liknar det som händer när en bilkrockkudde sprider påverkan och bromsar rörelsen hos en persons torso under en kollision.
Även om Kevlar är ett tyg, Kevlar rustning rör sig inte eller draperar kläderna. Det tar mellan 20 och 40 lager Kevlar för att stoppa en kula, och denna lagerbunt är relativt stel. Det är också tungt - en väst ensam väger ofta mer än 4,5 kg, även utan keramiska skär för extra skydd.
Två olika vätskor, dock, kan låta Kevlar rustning använda mycket färre lager, gör det lättare och mer flexibelt. Båda har en sak gemensamt - de reagerar starkt som svar på en stimulans. Nästa, vi ska titta på vad dessa vätskor är gjorda av och varför de reagerar som de gör.
Skjuvförtjockningsvätska som används för flytande kropps rustning Foto av Sgt. Lorie Jewell/ artighet U.S. Army Termen "flytande kroppsrustning" kan vara lite missvisande. För en del människor, det för tankarna till tanken att flytta vätska inklämd mellan två lager av fast material. Dock, båda typerna av vätskepansar i utvecklingsarbete utan ett synligt vätskeskikt. Istället, de använder Kevlar som har blötläggts i en av två vätskor.
Den första är a skjuvförtjockningsvätska (STF) , som beter sig som ett fast ämne när det stöter på mekanisk påfrestning eller klippa . Med andra ord, den rör sig som en vätska tills ett föremål träffar eller agiterar det kraftfullt. Sedan, det stelnar på några millisekunder. Detta är motsatsen till a skjuvförtunnande vätska , som färg, som blir tunnare när den omrörs eller skakas.
Du kan se hur skjuvförtjockningsvätskan ser ut genom att undersöka en lösning av nästan lika delar majsstärkelse och vatten. Om du rör om det långsamt, ämnet rör sig som en vätska. Men om du slår det, dess yta stelnar plötsligt. Du kan också forma den till en boll, men när du slutar applicera tryck, bollen faller isär.
Så här fungerar processen. Vätskan är en kolloid , består av små partiklar suspenderade i en vätska. Partiklarna stöter varandra något, så de flyter lätt genom vätskan utan att klumpa ihop sig eller sätta sig i botten. Men energin av en plötslig påverkan överväldiger de motbjudande krafterna mellan partiklarna - de håller ihop, bildande massor kallas hydrokluster . När energin från påverkan försvinner, partiklarna börjar avvisa varandra igen. Hydroklusteren faller sönder, och den uppenbarligen fasta substansen återgår till en vätska.
Före påverkan, partiklarna i skjuvförtjockningsvätska är i jämviktstillstånd. Efter påverkan, de klumpar ihop sig, bildar fasta strukturer. Vätskan som används i kroppspansar är gjord av kiseldioxid partiklar suspenderade i polyetylenglykol . Kiseldioxid är en komponent av sand och kvarts, och polyetylenglykol är en polymer som vanligen används i laxermedel och smörjmedel. Kiseldioxidpartiklarna är bara några nanometer i diameter, så många rapporter beskriver denna vätska som en form av nanoteknik.
För att göra flytande kroppspansar med skjuvförtjockningsvätska, forskare späd först vätskan i etanol. De mättar Kevlar med den utspädda vätskan och placerar den i en ugn för att avdunsta etanolen. STF genomsyrar sedan Kevlar, och Kevlar-strängarna håller den partikelfyllda vätskan på plats. När ett föremål träffar eller hugger Kevlar, vätskan härdar omedelbart, gör Kevlar starkare. Härdningsprocessen sker på bara millisekunder, och rustningen blir flexibel igen efteråt.
I laboratorietester, STF-behandlade Kevlar är lika flexibla som vanliga, eller snyggt, Kevlar. Skillnaden är att den är starkare, så rustning som använder STF kräver färre materiallager. Fyra lager STF-behandlade Kevlar kan släppa ut samma mängd energi som 14 lager snygg Kevlar. Dessutom, STF-behandlade fibrer sträcker sig inte så långt vid slag som vanliga fibrer, vilket betyder att kulor inte tränger lika djupt in i rustningen eller en persons vävnad under. Forskarna teoretiserar att det beror på att det tar mer energi för kulan att sträcka ut de STF-behandlade fibrerna.
Behandlade Kevlar efter slag från en kula Foto med tillstånd av amerikanska armén/fotografen Sergeant Lorie Jewell Forskning om STF-baserad flytande kroppspansar pågår vid U.S. Army Research Laboratory och University of Delaware. Forskare vid MIT, å andra sidan, undersöker en annan vätska för användning i kroppspansar. Vi kommer att titta på deras forskning härnäst.
Slow Blade tränger igenom sköldenSTF-baserad kroppspansar har paralleller i science fiction-världen. I universum av Frank Herberts "Dune, "En enhet som kallas en Holtzman -generator kan producera en skyddande sköld. Endast föremål som rör sig i långsamma hastigheter kan tränga igenom denna sköld. På samma sätt kan föremål som rör sig långsamt kommer att sjunka genom skjuvförtjockningsvätska utan att det härdar. I låg hastighet, eller kvasistatisk , knivprov, en kniv kan tränga igenom både snygga Kevlar och STF-behandlade Kevlar. Dock, den STF-behandlade Kevlar får något mindre skada, möjligen för att vätskan får fibrerna att hålla ihop.
När den utsätts för ett magnetfält, partiklarna i magnetoreologisk vätska riktas in längs fältlinjerna. Den andra vätskan som kan förstärka Kevlar rustning är magnetoreologisk (MR) vätska . MR -vätskor är oljor som är fyllda med järn partiklar. Ofta, ytaktiva ämnen omger partiklarna för att skydda dem och hjälpa till att hålla dem suspenderade i vätskan. Vanligtvis, järnpartiklarna utgör mellan 20 och 40 procent av vätskans volym.
Partiklarna är små, mäter mellan 3 och 10 mikron. Dock, de har en kraftfull effekt på vätskans konsistens. När den utsätts för ett magnetfält, partiklarna står i linje, tjocknar vätskan dramatiskt. Termen "magnetoreologisk" kommer från denna effekt. Reologi är en gren av mekaniken som fokuserar på förhållandet mellan kraft och hur ett material ändrar form. Magnetismens kraft kan förändra både formen och viskositeten hos MR -vätskor.
Härdningsprocessen tar cirka tjugotusendelar av en sekund. Effekten kan variera dramatiskt beroende på vätskans sammansättning och storlek, magnetfältets form och styrka. Till exempel, MIT -forskare började med sfäriska järnpartiklar, som kan glida förbi varandra, även i närvaro av magnetfältet. Detta begränsar hur svårt rustningen kan bli, så forskare studerar andra partikelformer som kan vara mer effektiva.
Som med STF, du kan se hur MR -vätskor ser ut med vanliga föremål. Järnfilter blandat med olja skapar en bra representation. När inget magnetfält är närvarande, vätskan rör sig lätt. Men påverkan av en magnet kan få vätskan att bli tjockare eller ta en annan form än behållarens. Ibland, skillnaden är mycket visuellt dramatisk, med vätskan som bildar distinkta toppar, tråg och andra former. Konstnärer har till och med använt magneter och MR -vätskor eller liknande ferrofluids för att skapa konstverk.
Med rätt kombination av densitet, partikelform och fältstyrka, MR -vätska kan byta från en vätska till ett mycket tjockt fast ämne. Som med skjuvförtjockningsvätska, denna förändring kan dramatiskt öka styrkan hos en rustning. Tricket är att aktivera vätskans tillståndsförändring. Eftersom magneter som är tillräckligt stora för att påverka en hel kostym skulle vara tunga och opraktiska att bära med sig, forskare föreslår att man skapar små kretsar som går genom rustningen.
Magnetoreologisk vätska före och efter exponering för ett magnetfält Utan att ström strömmar genom ledningarna, rustningen skulle förbli mjuk och flexibel. Men vid omkopplaren, elektroner skulle börja röra sig genom kretsarna, skapa ett magnetfält i processen. Detta fält skulle få rustningen att stelna och härda omedelbart. Om du vrider omkopplaren till avstängt läge skulle strömmen stoppas, och rustningen skulle bli flexibel igen.
Förutom att bli starkare, lättare, mer flexibel rustning, tyger behandlade med skjuvförtjockning och magnetorheologiska vätskor kan också ha andra användningsområden. Till exempel, sådana material kan skapa bombfiltar som är lätta att fälla och bära och som fortfarande kan skydda åskådare från explosion och granatsplitter. Behandlade hoppstövlar kan härda vid stöt eller när de aktiveras, skydda fallskärmsjägars stövlar. Fångvaktarnas uniformer skulle kunna använda omfattande teknik för flytande rustning, särskilt eftersom vapenskyddet mest sannolikt kommer att stöta på är trubbiga föremål och hemlagade blad.
Dock, teknikerna har några fördelar och nackdelar. Här är en sammanfattning:
Ingen av rustningarna är helt redo för användning på slagfältet. STF-behandlade Kevlar-rustningar kan vara tillgängliga i slutet av 2007 [Källa:Business Week]. MR -vätska kan kräva ytterligare fem till tio års utveckling innan den konsekvent kan stoppa kulor. [Källa:Science Central]. Kolla in länkarna på nästa sida för att lära dig mer om militär teknik, kroppspansar och relaterade ämnen.
Andra användningsområden för MR -vätskorMR -vätskor har många användningsområden förutom att stärka kroppspansar. Deras förmåga att byta från vätskor till halvfasta ämnen gör dem nästan omedelbart användbara för att dämpa stötar och vibrationer i föremål som:
Eftersom det omedelbart och reversibelt kan ändra form, den kan också användas för att skapa rullande punktskriftskärmar eller omkonfigurerbara formar.
Läs mer
Källor
