Инновационный текстиль: аэродинамика по требованию

Представьте: велогонщик или горнолыжник, чья одежда меняет свои аэродинамические свойства в зависимости от скорости ветра, позволяя им выиграть драгоценные секунды, просто натягивая или растягивая ткань.

Такие передовые текстильные материалы становятся реальностью благодаря исследователям из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS). Под руководством аспиранта Дэвида Фаррелла, исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials, представляет новый тип ткани, которая формирует углубления на своей поверхности при растяжении, даже когда она плотно прилегает к телу. Эта разработка имеет потенциал изменить не только высокоскоростные виды спорта, но и такие отрасли, как аэрокосмическая, морская и гражданская инженерия.

Исследование является результатом сотрудничества лабораторий Кати Бертолди, профессора прикладной механики, и Конора Дж. Уолша, профессора инженерии и прикладных наук.

Углубления по требованию, как у мяча для гольфа

Фаррелл, чьи исследовательские интересы лежат на стыке гидродинамики и искусственно созданных материалов (метаматериалов), привел к созданию уникального текстиля, который формирует на своей поверхности углубления при растяжении, даже будучи плотно натянутым на тело человека. Ткани используют те же аэродинамические принципы, что и мяч для гольфа, поверхность которого покрыта углублениями, позволяющими мячу лететь дальше за счет турбулентности, снижающей сопротивление воздуха. Поскольку ткань мягкая и эластичная, ее можно двигать и растягивать, изменяя размер и форму углублений по мере необходимости.

Эксперименты исследователей в аэродинамической трубе показали, что изменение размеров углублений может улучшить характеристики ткани при определенных скоростях ветра, снижая сопротивление воздуха до 20%.

«Выполнив 3000 симуляций, мы смогли изучить тысячи узоров углублений», — рассказывает Фаррелл. «Мы смогли настроить размер углубления, а также его форму. Когда мы поместили эти узоры в аэродинамическую трубу, мы обнаружили, что определенные узоры и углубления оптимизированы для конкретных диапазонов скоростей ветра».

Фаррелл и его команда использовали лазерный резак и термопресс для создания двухцветной ткани, состоящей из более жесткого черного тканого материала, похожего на ремень рюкзака, и более мягкого, гибкого и комфортного серого трикотажа. Используя двухступенчатый производственный процесс, они вырезали узоры на тканом материале и с помощью термопресса соединили его с трикотажным слоем, получив текстильный композит. Экспериментируя с несколькими плоскими образцами, имеющими узор в виде решеток, таких как квадраты и шестиугольники, они систематически исследовали, как различные мозаики влияют на механические свойства каждого текстильного материала.

Узор решетки

Возможность формирования углублений по требованию в текстильном композите обеспечивается узором решетки, который Бертолди и другие исследователи ранее изучали из-за его необычных свойств. Если натянуть обычный текстиль на тело, он разглаживается и натягивается. «Наш текстильный композит нарушает это правило», — поясняет Фаррелл. «Уникальный узор решетки позволяет текстилю расширяться вокруг руки, а не обтягивать ее».

«Мы используем это уникальное свойство, которое [Бертолди] и другие исследовали в течение последних 10 лет в области метаматериалов, и применяем его в носимой одежде таким образом, как никто раньше не видел», — говорит Фаррелл.