Se você quiser ver o que acontece se o seu telefone cair no concreto, você pode realmente abandoná-lo ou deixar que um engenheiro resolva as consequências com antecedência.

Provavelmente, você irá com o engenheiro.

Descobrir como os materiais frágeis dentro de um dispositivo se comportam, e falhar, é um dos objetivos do Programa de Previsão de Garantia de Materiais Frágeis do Sandia National Laboratories (BritMAPP). O programa, que começou há dois anos e vai até 2020, estuda materiais frágeis de três maneiras:tensão e carregamento; mecânica da fratura para ver como as rachaduras começam e se desenvolvem; e a relação entre propriedades e estrutura do material.

Materiais frágeis, como vidro, falhar repentina e catastroficamente. Ao contrário dos metais, qual amassado ou dobra se cair, materiais frágeis simplesmente quebram. "Você deixa cair um martelo, e pode dobrar; você deixa cair o vidro e ele se estilhaça. Está feito, "disse Ryan Jamison, que trabalha com Brenton Elisberg e outros colegas na parte de estresse e carregamento do projeto.

Eles se concentram em como a falha repentina afeta o desempenho, confiabilidade e segurança de componentes e sistemas onde a quebra tem consequências graves, como dispositivos médicos ou satélites.

Materiais mais resistentes e frágeis que podem lidar com as fundas e flechas da vida cotidiana irão beneficiar todos os tipos de dispositivos e, finalmente, as pessoas que usam esses dispositivos. Algum dia, pode não ser tão preocupante quando você deixa cair acidentalmente um telefone celular.

Sandia quer desenvolver a ciência, tecnologia e compreensão para garantir que os componentes frágeis em sistemas de alta conseqüência permaneçam totalmente funcionais ao longo de uma vida útil de 30 anos. Os pesquisadores do BritMAPP estão desenvolvendo modelos mecânicos e descobrindo relações de propriedade e estrutura fundamentais para que possam mudar de julgamento qualitativo de engenharia para previsões quantitativas de falha e confiabilidade de materiais frágeis.

Os julgamentos qualitativos da engenharia são decisões baseadas na experiência e na comparação de resultados - A é melhor do que B - enquanto as previsões quantitativas são precisas com base no comportamento físico de um material. "Queremos fazer a transição de fazer comparações, 'A é melhor do que B, mas realmente não sabemos o quão bom A é, 'para tomar decisões com base em qualidades mensuráveis, 'A é melhor do que B porque A durará 10 anos a mais do que B, '", Disse Jamison." Ser capaz de quantificar com precisão a diferença é a chave. "

Embora ele tenha enfatizado que há muito trabalho a ser feito, "já começamos bem nesse caminho."

Usando modelos para prever quanto tempo as peças irão durar

Uma vez que não é possível testar todos os cenários possíveis, pesquisadores reúnem dados para modelos de computador por meio de experimentos de laboratório, medir as propriedades dos materiais para entender como as coisas se comportam. Os modeladores fazem uma representação de computador de um objeto e, em seguida, aplicam as leis físicas para prever como os materiais se comportam mecanicamente:o que acontece quando eles são esticados ou comprimidos.

"É aqui que a modelagem é valiosa, "Jamison disse." Podemos fazer previsões precisas de coisas para as quais simplesmente não podemos obter dados. Pode nos ajudar a entender por que está falhando - não apenas que está falhando, mas o que está causando a falha. Podemos examinar as coisas de maneira muito diferente do que você pode em um teste, onde você não pode cortar tudo em pedaços microscópicos e ver quantas partes você precisa examinar antes de realmente entender. "

Pegue um telefone celular como exemplo. "Os telefones são feitos de plástico e vidro e outros tipos de materiais. As equações governam como esses materiais se comportam e aplicamos essas equações a esses materiais na forma de um telefone, "Jamison disse." Então aplicamos ambientes diferentes, como deixar cair o telefone. Simulamos isso em um computador, e por meio das equações que representam esses materiais podemos determinar se o vidro ou outro componente do telefone quebra. "

Para dar respostas quantitativas precisas, os pesquisadores devem entender as tensões enfrentadas pelos materiais. É difícil medir o estresse em si, então os pesquisadores medem a deformação ou deformação resultante. Por exemplo, eles empurram uma ferramenta rígida em um material quebradiço e medem como as rachaduras se espalham para inferir o estado de tensão.

Eles também medem as propriedades dos materiais. "Isso é um pouco mais fácil porque você está medindo a resposta direta de um material devido a uma carga conhecida que está sendo aplicada, "Elisberg disse." Uma vez que temos as propriedades do material, temos mais confiança de que nossos modelos estão prevendo o estresse com precisão. O problema é que ainda precisamos descobrir que tensão é necessária para quebrar o material. "

Modelos sofisticados, supercomputadores tornam a simulação da complexidade possível

Graças à modelagem mais sofisticada e supercomputadores em constante aprimoramento, as simulações ficaram mais complexas, capturando comportamento de materiais indetectável até pouco tempo atrás.

Ainda, modelos extremamente sofisticados levam tempo para funcionar, mesmo com supercomputadores. Verão passado, Elisberg executou uma simulação de 72 horas em centenas de processadores, simulando uma série muito longa de ciclos de teste térmico. Isso teria sido impossível há dois anos devido ao poder de processamento inadequado do computador e aos modelos que não eram sofisticados o suficiente para capturar a física que interessa Sandia.

A equipe também está determinando quanta complexidade é necessária.

"Se os designers de componentes apenas querem saber se o Design A é melhor do que o B, Eu posso te dizer isso rapidamente, "Elisberg disse." Se você quiser saber mais especificamente se e quando o Design A vai falhar, então é quando rodamos uma simulação mais complexa que pode rodar em um computador por dias, mas agora temos a capacidade de prever ou pelo menos ter uma ideia muito melhor de quando o projeto está perto do fracasso. "

Jamison e Elisberg trabalham com vedações de vidro com metal, componentes vitais para o envio de sinais elétricos por meio de sistemas hermeticamente selados. As vedações de vidro com metal são onipresentes em tudo, desde dispositivos médicos até telecomunicações que enfrentam altas temperaturas, pressão ou choque. Eles também são importantes em usos de segurança nacional que têm requisitos de sobrevivência e tempo de vida muito mais difíceis, Elisberg e Jamison disseram.

"O requisito vitalício é onde estamos tentando chegar com este programa de previsão de garantia de materiais frágeis, "Jamison disse." Agora podemos fazer previsões do que aconteceria com esses selos de vidro com metal e dar orientação qualitativa para designers e engenheiros. Mas temos essa aplicação de conseqüência superior. Precisamos ser capazes de dizer com algum nível de certeza que esses componentes vão durar 30 anos, e ter uma explicação de materiais e ciência por quê. "

A próxima etapa são os experimentos para validar as previsões do tempo de vida. "Acreditamos que o comportamento está sendo modelado com precisão, mas ainda precisa ser validado em aplicativos mais complexos, "Elisberg disse.

"É aquele casamento de experimentos e modelagem, "Jamison disse." Com as descobertas que os experimentalistas fizeram, com os avanços na modelagem que fizemos, podemos pegar essa informação que os experimentalistas estão observando, colocá-lo nos modelos e fazer previsões mais precisas. "