วิธีการทำงานของเกราะของเหลว

แนวคิดพื้นฐานเบื้องหลังชุดเกราะไม่มีการเปลี่ยนแปลงมากนักในช่วงสองสามพันปีที่ผ่านมา อย่างแรก ชุดเกราะหยุดอาวุธหรือขีปนาวุธไม่ให้เข้าถึงร่างกายของบุคคล ประการที่สอง มันกระจาย พลังงานของอาวุธเพื่อให้การกระแทกครั้งสุดท้ายทำให้เกิดความเสียหายน้อยลง แม้ว่าจะไม่ได้ผลในทุกสถานการณ์ แต่โดยทั่วไปชุดเกราะสามารถช่วยปกป้องผู้คนจากการบาดเจ็บสาหัสหรือเสียชีวิต โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับอาวุธที่เหมาะสม

หลายปีที่ผ่านมา ผู้คนต้องพัฒนาชุดเกราะที่แข็งแรงและล้ำหน้ายิ่งขึ้น เพื่อป้องกันอาวุธที่มีความซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการปรับปรุงเหล่านี้ เกราะสมัยใหม่ยังคงมีข้อบกพร่องบางอย่างเช่นเดียวกับชุดเกราะแบบโบราณ ไม่ว่าจะทำจากแผ่นโลหะหรือชั้นของผ้า เกราะก็มักจะหนักและเทอะทะ หลายประเภทมีความแข็ง ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับใช้กับแขน ขา และคอ ด้วยเหตุผลนี้ ชุดเกราะจานในยุคกลางจึงมีช่องว่างและข้อต่อเพื่อให้ผู้คนเคลื่อนที่ไปมาได้ และชุดเกราะที่ใช้ในปัจจุบันมักจะปกป้องเฉพาะศีรษะและลำตัวเท่านั้น

หนึ่งในชุดเกราะใหม่ล่าสุดที่ทั้งยืดหยุ่นและน้ำหนักเบา น่าแปลกที่การปรับปรุงนี้มาจากการเพิ่มของเหลวลงในวัสดุเกราะที่มีอยู่ แม้ว่ามันจะไม่พร้อมสำหรับการสู้รบทั้งหมด แต่การวิจัยในห้องปฏิบัติการชี้ให้เห็นว่าเกราะเหลวมีศักยภาพที่จะทดแทนหรือเสริมเสื้อกั๊กที่เทอะทะได้ดี ในที่สุด ทหาร เจ้าหน้าที่ตำรวจ และคนอื่นๆ อาจใช้เพื่อปกป้องแขนและขาของพวกเขาได้

เกราะของเหลวสองประเภทหลักที่กำลังพัฒนาอยู่นั้น ทั้งสองประเภทเริ่มต้นด้วยพื้นฐานของDuPont Kevlarซึ่งมักใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุน เมื่อกระสุนหรือเศษกระสุนกระทบเสื้อกั๊กเคฟลาร์ ชั้นของวัสดุจะกระจายแรงกระแทกไปทั่วพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ กระสุนยังยืดเส้นใยเคฟลาร์ ใช้พลังงาน และช้าลงในกระบวนการ แนวคิดนี้คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อถุงลมนิรภัย ในรถยนต์ กระจายแรงกระแทกและทำให้ร่างกายเคลื่อนไหวช้าลงในระหว่างการชน

แม้ว่าเคฟลาร์จะเป็นผ้า แต่เกราะเคฟลาร์ก็ไม่เคลื่อนไหวหรือปิดคลุมอย่างที่เสื้อผ้าทำ ต้องใช้เคฟลาร์ 20 ถึง 40 ชั้นในการหยุดกระสุน และชั้นนี้ค่อนข้างแข็ง นอกจากนี้ยังหนักอีกด้วย - เสื้อกั๊กเพียงอย่างเดียวมักมีน้ำหนักมากกว่า 10 ปอนด์ (4.5 กิโลกรัม) แม้จะไม่มีแผ่นเซรามิกสำหรับการป้องกันเพิ่มเติม

อย่างไรก็ตาม ของเหลวสองชนิดที่แตกต่างกันสามารถช่วยให้เกราะเคฟลาร์ใช้เลเยอร์น้อยลง ทำให้เบาและยืดหยุ่นมากขึ้น ทั้งคู่มีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน นั่นคือ มีปฏิกิริยาตอบสนองอย่างรุนแรงต่อสิ่งเร้า ต่อไป เราจะมาดูกันว่าของเหลวเหล่านี้ทำมาจากอะไรและทำไมจึงทำปฏิกิริยากับของเหลวเหล่านี้

คำว่า "เกราะของเหลว" อาจทำให้เข้าใจผิดเล็กน้อย สำหรับบางคน แนวคิดในการเคลื่อนย้ายของไหลที่ประกบอยู่ระหว่างวัสดุแข็งสองชั้น อย่างไรก็ตาม เกราะเหลวทั้งสองประเภทในการพัฒนาทำงานโดยไม่มีชั้นของเหลวที่มองเห็นได้ แต่พวกเขาใช้เคฟลาร์ที่แช่ในของเหลวหนึ่งในสองชนิดแทน

อย่างแรกคือของเหลวเฉือนหนา (STF)ซึ่งมีลักษณะเหมือนของแข็งเมื่อต้องเผชิญกับความเค้นทางกลหรือแรงเฉือน กล่าวอีกนัยหนึ่งมันเคลื่อนที่เหมือนของเหลวจนกระทั่งวัตถุกระแทกหรือทำให้กระวนกระวายใจอย่างแรง จากนั้นจะแข็งตัวในไม่กี่วินาที นี่คือสิ่งที่ตรงกันข้ามกับของเหลวเฉือนเฉือนเช่นสี ซึ่งจะบางลงเมื่อถูกกวนหรือเขย่า

คุณสามารถดูว่าของเหลวข้นเฉือนมีหน้าตาเป็นอย่างไรโดยการตรวจสอบสารละลายของแป้งข้าวโพดและน้ำในส่วนที่เกือบเท่ากัน หากคุณคนช้าๆ สารจะเคลื่อนที่เหมือนของเหลว แต่ถ้าคุณโดนมัน พื้นผิวของมันจะแข็งตัวทันที คุณยังสามารถปั้นเป็นลูกบอลได้ แต่เมื่อคุณหยุดใช้แรงกด ลูกบอลจะแตกออกจากกัน

นี่คือวิธีการทำงาน ของเหลวเป็นคอลลอยด์ซึ่งทำจากอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนอยู่ในของเหลว อนุภาคจะผลักกันเล็กน้อย ดังนั้นพวกมันจึงลอยได้ง่ายทั่วทั้งของเหลวโดยไม่จับเป็นก้อนหรือตกตะกอนที่ด้านล่าง แต่พลังงานของการกระแทกอย่างกะทันหันจะครอบงำแรงผลักระหว่างอนุภาค -- พวกมันจะเกาะติดกัน ก่อตัวเป็นมวลที่เรียกว่าไฮโดรคลัสเตอร์ เมื่อพลังงานจากการกระแทกกระจายไป อนุภาคจะเริ่มผลักกันอีกครั้ง ไฮโดรคลัสเตอร์แตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย และสารที่เป็นของแข็งที่ดูเหมือนเปลี่ยนกลับเป็นของเหลว

ของเหลวที่ใช้ในชุดเกราะทำจาก อนุภาค ซิลิกาที่แขวนลอยอยู่ในโพลิเอทิลีนไกลคอล ซิลิกาเป็นส่วนประกอบของทรายและควอตซ์ และโพลิเอทิลีนไกลคอลเป็นพอลิเมอร์ที่ใช้กันทั่วไปในยาระบายและสารหล่อลื่น อนุภาคซิลิกามีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงไม่กี่นาโนเมตร รายงานจำนวนมากจึงอธิบายว่าของเหลวนี้เป็นรูปแบบของนาโนเทคโนโลยี

ในการทำเกราะของเหลวโดยใช้ของเหลวที่มีแรงเฉือน นักวิจัยได้เจือจางของเหลวในเอทานอลก่อน พวกเขาทำให้เคฟลาร์อิ่มตัวด้วยของเหลวเจือจางแล้วนำไปใส่ในเตาอบเพื่อระเหยเอธานอล จากนั้น STF จะแทรกซึมเคฟลาร์ และเกลียวเคฟลาร์จะยึดของเหลวที่เติมอนุภาคเข้าที่ เมื่อวัตถุกระทบหรือแทงเคฟลาร์ ของเหลวจะแข็งตัวทันที ทำให้เคฟลาร์แข็งแกร่งขึ้น กระบวนการชุบแข็งจะเกิดขึ้นในเวลาเพียงมิลลิวินาที และเกราะจะยืดหยุ่นได้อีกครั้งในภายหลัง

ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ Kevlar ที่ผ่านการบำบัดด้วย STF จะมีความยืดหยุ่นเทียบเท่ากับ Kevlar แบบธรรมดาหรือแบบเรียบร้อย ความแตกต่างคือมันแข็งแกร่งกว่า ดังนั้นเกราะที่ใช้ STF ต้องใช้วัสดุน้อยลง เคฟลาร์ที่บำบัดด้วย STF สี่ชั้นสามารถกระจายพลังงานในปริมาณเท่ากันกับเคฟลาร์ 14 ชั้นที่เรียบร้อย นอกจากนี้ เส้นใยที่ผ่านการบำบัดด้วย STF จะไม่ยืดออกมากเมื่อกระทบกับเส้นใยทั่วไป ซึ่งหมายความว่ากระสุนจะไม่เจาะลึกเข้าไปในเกราะหรือเนื้อเยื่อของบุคคลที่อยู่ด้านล่าง นักวิจัยตั้งทฤษฎีว่าเป็นเพราะกระสุนใช้พลังงานมากขึ้นในการยืดเส้นใยที่ได้รับการบำบัดด้วย STF

การวิจัยเกี่ยวกับชุดเกราะเหลวที่ใช้ STF กำลังดำเนินการอยู่ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยของกองทัพสหรัฐฯ และมหาวิทยาลัยเดลาแวร์ ในทางกลับกัน นักวิจัยที่ MIT กำลังตรวจสอบของเหลวชนิดอื่นเพื่อใช้ในชุดเกราะ เราจะดูการวิจัยของพวกเขาต่อไป

ใบมีดช้าเจาะเกราะ

ชุดเกราะที่ใช้ STF มีความคล้ายคลึงกันในโลกแห่งนิยายวิทยาศาสตร์ ในจักรวาลของ "Dune" ของแฟรงค์ เฮอร์เบิร์ต อุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องกำเนิด Holtzman สามารถผลิตเกราะป้องกันได้ เฉพาะวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำเท่านั้นที่สามารถเจาะเกราะนี้ได้ ในทำนองเดียวกัน วัตถุที่เคลื่อนไหวช้าจะจมลงไปในของเหลวที่ให้แรงเฉือนโดยไม่ทำให้วัตถุแข็งตัว ในการทดสอบมีดด้วยความเร็วต่ำหรือกึ่งเสมือน มีดสามารถเจาะได้ทั้งเคฟลาร์ที่เรียบร้อยและเคฟลาร์ที่บำบัดด้วย STF อย่างไรก็ตาม เคฟลาร์ที่บำบัดด้วย STF ได้รับความเสียหายน้อยกว่าเล็กน้อย อาจเป็นเพราะของเหลวทำให้เส้นใยเกาะติดกัน

ของเหลวอื่นๆ ที่สามารถเสริมเกราะเคฟลาร์ได้คือ ของเหลว จากสนามแม่เหล็ก (MR) ของเหลว MR คือน้ำมันที่เต็มไปด้วยอนุภาคเหล็ก บ่อยครั้ง สารลดแรงตึงผิวจะล้อมรอบอนุภาคเพื่อปกป้องและช่วยให้พวกมันลอยอยู่ในของเหลว โดยปกติ อนุภาคเหล็กจะประกอบด้วยปริมาตร 20 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ของของเหลว

อนุภาคมีขนาดเล็ก โดยวัดได้ระหว่าง 3 ถึง 10 ไมครอน อย่างไรก็ตาม พวกมันมีผลอย่างมากต่อความสม่ำเสมอของของเหลว เมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก อนุภาคจะเรียงตัวกัน ทำให้ของเหลวข้นขึ้นอย่างมาก คำว่า "แม่เหล็กวิทยา" มาจากผลกระทบนี้ รีโอโลยีเป็นสาขาหนึ่งของกลศาสตร์ที่เน้นความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับวิธีที่วัสดุเปลี่ยนรูปร่าง แรงแม่เหล็กสามารถเปลี่ยนทั้งรูปร่างและความหนืดของของเหลว MR

กระบวนการชุบแข็งใช้เวลาประมาณสองหมื่นวินาที ผลกระทบอาจแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของของเหลวและขนาด รูปร่าง และความแรงของสนามแม่เหล็ก ตัวอย่างเช่น นักวิจัยของ MIT เริ่มต้นด้วยอนุภาคเหล็กทรงกลม ซึ่งสามารถเลื่อนผ่านกันได้ แม้กระทั่งในที่ที่มีสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้จำกัดความแข็งของเกราะ ดังนั้นนักวิจัยจึงกำลังศึกษารูปร่างอนุภาคอื่นๆ ที่อาจมีประสิทธิภาพมากกว่า

เช่นเดียวกับ STF คุณสามารถดูว่าของเหลว MR มีลักษณะอย่างไรโดยใช้สิ่งของทั่วไป ตะไบเหล็กผสมกับน้ำมันทำให้เกิดภาพลักษณ์ที่ดี เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็ก ของเหลวจะเคลื่อนที่ได้ง่าย แต่อิทธิพลของแม่เหล็กอาจทำให้ของเหลวข้นขึ้นหรือกลายเป็นรูปร่างอื่นที่ไม่ใช่ภาชนะ บางครั้ง ความแตกต่างนั้นดูน่าทึ่งมาก โดยของไหลทำให้เกิดยอด รางน้ำ และรูปร่างอื่นๆ ที่โดดเด่น ศิลปินยังใช้แม่เหล็กและของเหลว MR หรือเฟอร์โรฟลูอิดที่คล้ายคลึงกันเพื่อสร้างงานศิลปะ

ด้วยการผสมผสานที่ลงตัวของความหนาแน่น รูปร่างอนุภาค และความแรงของสนาม ของเหลว MR สามารถเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็งที่มีความหนามากได้ การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถเพิ่มความแข็งแกร่งของชุดเกราะได้อย่างมาก เช่นเดียวกับของเหลวที่มีแรงเฉือน เคล็ดลับคือการเปิดใช้งานการเปลี่ยนแปลงสถานะของของเหลว เนื่องจากแม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่พอที่จะส่งผลต่อทั้งชุดจะหนักและใช้งานไม่ได้ นักวิจัยจึงเสนอให้สร้างวงจรเล็กๆ ที่วิ่งไปทั่วเกราะ

หากไม่มีกระแสไหลผ่านสายไฟ เกราะจะยังคงนุ่มและยืดหยุ่น แต่เมื่อเปลี่ยนสวิตช์ อิเล็กตรอนจะเริ่มเคลื่อนที่ผ่านวงจร ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นในกระบวนการ สนามนี้จะทำให้ชุดเกราะแข็งทื่อและแข็งขึ้นทันที การพลิกสวิตช์กลับไปที่ตำแหน่งปิดจะหยุดกระแส และเกราะจะยืดหยุ่นได้อีกครั้ง

นอกเหนือจากการสร้างเกราะที่แข็งแรง น้ำหนักเบา และยืดหยุ่นมากขึ้นแล้ว ผ้าที่บำบัดด้วยของเหลวที่ให้ความหนาเฉือนและแรงแม่เหล็กก็มีประโยชน์ในด้านอื่นๆ เช่นกัน ตัวอย่างเช่น วัสดุดังกล่าวสามารถสร้างผ้าห่มระเบิดที่พับและพกพาได้ง่าย และยังคงสามารถปกป้องผู้ยืนดูจากการระเบิดและเศษกระสุน รองเท้ากระโดด ที่ผ่านการ บำบัดแล้วอาจแข็งเมื่อกระแทกหรือเมื่อเปิดใช้งาน เพื่อปกป้องรองเท้าของพลร่ม เครื่องแบบของผู้ คุมสามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีเกราะเหลวได้อย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากผู้คุมอาวุธมักจะพบเจอวัตถุทื่อและใบมีดทำเอง

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีมีข้อดีและข้อเสียเล็กน้อย นี่คือบทสรุป:

เกราะทั้งสองชนิดไม่พร้อมสำหรับการใช้งานในสนามรบ ชุดเกราะเคฟลาร์ที่เคลือบด้วย STF จะวางจำหน่ายภายในสิ้นปี 2550 [ที่มา: สัปดาห์ธุรกิจ ] MR ของเหลวอาจต้องใช้เวลาอีก 5-10 ปีในการพัฒนาก่อนที่จะสามารถหยุดกระสุนได้อย่างสม่ำเสมอ [ที่มา: ศูนย์วิทยาศาสตร์ ]. ตรวจสอบลิงก์ในหน้าถัดไปเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยีทางการทหาร ชุดเกราะ และหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

การใช้อื่น ๆ สำหรับของเหลว MR

ของเหลว MR มีประโยชน์มากมายนอกเหนือจากการเสริมเกราะให้เกราะ ความสามารถในการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นกึ่งของแข็งเกือบจะในทันที ทำให้มีประโยชน์ในการรองรับแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนในรายการต่างๆ เช่น:

• โช้คอัพรถยนต์
• เครื่องซักผ้า
• ขาเทียม
• สะพาน

เนื่องจากสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ทันทีและย้อนกลับได้ จึงสามารถใช้เพื่อสร้างเครื่องแสดงผลอักษรเบรลล์แบบเลื่อนหรือแม่พิมพ์ที่กำหนดค่าใหม่ได้

บทความที่เกี่ยวข้อง

ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม

แหล่งที่มา