Oavsett om Harry Potters osynlighetskappa, som perfekt styr ljusvågor runt föremål för att göra dem osynliga, kommer någonsin att bli verklighet återstår att se, men att fullborda en mer avgörande kappa är omöjlig, säger en ny studie. Det skulle ha perfekt styrda stressvågor i marken, som de som kommer från en explosion, runt föremål som byggnader för att göra dem "orörliga".

Trots att man djupt tvivlar på dussintals teoretiska artiklar om "elastodynamisk" mantel, den nya studiens författare från Georgia Institute of Technology tycker inte att civilingenjörer helt bör ge upp, bara på idén om en idealisk kappa. Begränsad mantel kan fortfarande ge en viss grad av skydd till strukturer, särskilt mot vissa stressvågor som är vanliga vid jordbävningar.

"Med mantel, det finns denna förväntning att om du får någon form av stressvåg från någon riktning, en kappa ska kunna dölja föremålet från det. Vi ser nu att det inte är möjligt, "sade huvudutredaren Arash Yavari, en professor i Georgia Tech's School of Civil and Environmental Engineering och vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Men för en stor klass av störningar, nämligen störningar i planet, du kan nog designa en bra kappa. "

I en jordbävning, störningar i planet är seismiska vågor som spårar längs plana och breda-eller plana-vägar genom jordens yta.

Yavari och medförfattaren Ashkan Golgoon, en forskarassistent som studerar med Yavari, publicerade sin studie i tidningen Arkiv för rationell mekanik och analys , en ledande tidskrift om teoretisk solid mekanik, den 16 maj, 2019. Forskningen finansierades av Army Research Office.

Drömmanteln

Drömmen om att dölja för att styra stressvågor förbi en struktur som den inte ens har det mycket gemensamt med drömmen om en osynlighetskappa, som skulle böja ljus - elektromagnetiska vågor - runt ett föremål och sedan peka ut det på andra sidan.

Ljusvågorna som träffar betraktarens öga skulle avslöja vad som finns bakom objektet men inte själva föremålet. Vid elastodynamisk mantel, vågorna är inte elektromagnetiska utan mekaniska, rör sig genom marken. Hypotetiskt, att dölja föremålet skulle isolera det helt från vågorna.

I ett scenario att skydda, säga, en kärnreaktor från alla stressvågor som färdas genom marken, oavsett om det är en naturlig eller mänsklig katastrof, helst, civilingenjörer kan sänka reaktorns bas i ett hål under markytan. De skulle bygga en skyddande cylinder eller en halv-sfärisk underjordisk skål runt den med speciella material för att styra spänningsvågorna runt cirkeln.

Det finns drömmar, sedan finns det studiens resultat.

"Vi bevisade att kappans form inte spelar någon roll, oavsett om det är sfäriskt eller cylindriskt, du kan inte helt kappa, "Sa Yavari.

Den felaktiga analogin

Mycket teori och matematik från elektromagnetisk (lätt) cloaking har överförts till elastodynamisk cloaking -forskning, och några av de förra verkar ha kastat en skiftnyckel i den senare.

"Många gånger, analogier från andra fält är användbara, men elasticitet lägger till flera fysiska faktorer som du inte har inom elektromagnetism, "Sa Yavari." Till exempel, balansen i vinkelmomentet bryts i mycket av forskningslitteraturen.

Vinkelmoment är en egenskap av massa i rotationsrörelser, och den är resistent mot förändringar. Många människor har upplevt vinkelmoment genom att luta ett snurrande gyroskop och se hur det envist rör sig på en oväntad väg.

Även om det är en våg, ljus är fotoner, som inte har någon massa. Stressvågor, å andra sidan, resa genom materia - specifikt fast substans till skillnad från vätska eller gas-och det lägger till en avgörande verklig dynamik i ekvationen.

Den dynamiken påverkar också det hål som döljer föremålet. Utan det, stressvågorna rör sig ganska jämnt genom ett medium, men med det, spänningar koncentrerar sig runt hålet och förstör den snygga geometrin hos vågmönstren.

Den romerska kappan?

Vad ska man göra? Mantel i alla fall. Om den idealiska lösningen inte finns, gör en ofullkomlig sådan.

"Matematiken säger att cloaking inte är möjligt i strikt mening. När du förstår det, du slösar inte tid, "Sa Yavari." Du formulerar problem som optimerar med det du vet kring riktade påfrestningar eller belastningar du vill skydda mot. "

Ingenjörer kan skydda sig mot viktiga jordbävningsspänningar om de använder material som har varit särskilt förspända, har vissa elastiska egenskaper och fördelning av densiteter som beskrivs detaljerat i studien. En verklig kappa kan inte vara idealisk och ändå vara fantastisk.

"Om jag istället för 100 procent av vågenergin bara känner 10 eller 20 procent, det är en enorm affär eftersom ingenjörer inte strävar efter absoluta ideal, "Sa Yavari.

Även de gamla romarna, notoriskt matte-fobisk, verkar ha oavsiktligt byggt seismiska kappor i sin design av amfiteatrar, enligt en rapport i MIT Technology Review. Deras likhet med moderna experimentella cloaking -enheter kan ha hjälpt till att bevara dem i 2, 000 år i seismiskt aktiva regioner.

Den nya studien undersökte också en populär idé inom anläggningsteknik att byggande med en familj av material som har en mikrostruktur som gör dem till "Cosserat fastämnen" kan möjliggöra perfekt cloaking. Författarna drog slutsatsen att detta inte heller kan fungera. Studien tog inte hänsyn till så kallade metamaterial, som har uppmärksammats för omdirigering i synnerhet ljusvågor.