振動しない魔法の梁

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一般の方向けの研究案内:パチャパチャ蛙、キーキーこうもり、トントンきつつきと、結晶の波紋を見るのページもご覧ください。

ハリー・ポッターがヴォルデモートと戦うとき、彼らの杖は常にまっすぐのままであり、明らかに大きな力がかかっているにもかかわらず揺れも振動もしません。なぜかと疑問に思ったことがありませんか? 私たちは特定の音響周波数ですべての振動が梁(beam,ビーム)に沿って伝わらないように構築できることを初めて実験的に実証しました。このような梁は、弾性メタマテリアルまたは略してメタビームの一例です。

弾性メタマテリアルは、振動可能な部分の配列で構成される固体であり、このような材料は、負の密度や負の弾性率などの直感に反する特性を示します。これらの固体は、特定の周波数範囲で振動を減衰させることができ、防音や防振に応用できます。しかし、これまでのところ、棒または梁の形で与えられた周波数ですべての種類の振動を阻止できる構造を構築できた人はいませんでした。

私たちはアルミの棒に切り込みを掘ることにより、1000 Hz付近の周波数(音律では真ん中のドの音から約2オクターブ上の音)で、すべての振動をブロックするメタビームを構築できることを示しました。


作製したアルミのメタビームは幅80 mmで厚さ8 mmです。

このメタビームは、ビーム内の各単位構造に圧縮と2つの方向の曲げ、ねじれの合計4つの種類で振動する構造が含まれているため機能します。これら4つの振動は、この周波数帯でこのビームがもつすべての種類の振動です。構造の振動と梁を伝わる振動との相互作用によって、約1000 Hzのすべての振動は反射され、梁を通り抜けることができなくなります。指輪物語(The Lord of the Rings)で魔法使いガンダルフが魔物バルログに「ここは通さんぞ!」と言ったように。

メタビームの単位構造の4つの振動を示す動画

このようなメタビームを様々な大きさでゴムなどの柔らかい材料で開発することは、機械の振動を隔離したり、地震から建物を保護したりするための新しい手段になることでしょう。そして、すべての振動をブロックするメタ杖が作られることは時間の問題だけです!

より詳しくは、 'Perfect acoustic bandgap metabeam based on a quadruple-mode resonator array,' K. Fujita et al., Appl. Phys. Lett. 115, 081905 (2019).をご覧ください。

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