Του Σ.Α Παϊπέτη
Καθηγητού Πανεπιστημίου Πατρών
Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών
Τομεύς Εφαρμοσμένης Μηχανικής, Προηγμένων Υλικών και Εμβιομηχανικής
Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Μηχανικής
paipetismech.upatras.gr
Ένα κορυφαίο παράδειγμα προηγμένης τεχνολογικής γνώσεως από τη σύγχρονη επιστήμη των υλικών, που είναι και το αντικείμενο του παρόντος, περιγράφεται στη ραψωδία Σ της Ιλιάδας, όπου ο ποιητής παρουσιάζει τη Θέτιδα να επισκέπτεται τον Ήφαιστο, για να του ζητήσει να κατασκευάσει μια πανοπλία για τον Αχιλλέα.
Ο χωλός θεός υπηρετείται από δύο χρυσά κορίτσια (στιχ. 416-420), που, κατά τον σύγχρονο συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας Ισαάκ Ασίμωφ, η περιγραφή τους αποτελεί την πρώτη αναφορά στα ρομπότ. Επίσης στο εργαστήρι του Ήφαιστου οι φυσητήρες των κλιβάνων λειτουργούν σαν μια τέλεια αυτοματισμένη σύγχρονη κατασκευή (στιχ. 468-473).
Όμως και η περιγραφή της ασπίδας που κατασκεύασε για τον Αχιλλέα ο Ήφαιστος, μαρτυρεί την ύπαρξη στοιχείων προηγμένης τεχνολογίας (στιχ. 474-481):

Σκληρόν χαλκόν, κασσίτερον, πολύτιμο χρυσάφι
και ασήμι, βάζει στη φωτιά, κατόπιν μέγ' αμόνι
εις τον κορμόν τοποθετεί και στο δεξί του χέρι
σφύραν αδράχνει δυνατήν και το διλάβην στ' άλλο.
Κι έπλασε πρώτα δυνατήν ασπίδα και μεγάλην
όλην με τέχνην και τριπλόν λαμπρόν τριγύρω κύκλον
με πέντε διπλές έγινε η ασπίδα και σ' εκείνην
λογιών εικόνες έπλαθε με την σοφήν του γνώσιν.


Για τους μυημένους της Επιστήμης των Υλικών οι παραπάνω στίχοι περιγράφουν μια πολύστρωτη κατασκευή (sandwich) από πέντε επάλληλα στρώματα, των οποίων οι μηχανικές ιδιότητες διαφέρουν πολύ μεταξύ τους, και παρουσιάζουν μέγιστη αντίσταση σε δυναμική διάτρηση. Η συμπεριφορά της ασπίδας περιγράφεται (Υ 259-272) στη μάχη του Αχιλλέα με τον Αινεία. Το δόρυ του τελευταίου αποδεικνύεται ανίκανο να διαπεράσει τη θεϊκή ασπίδα: Κατόρθωσε μόνο να τρυπήσει τα δύο πρώτα στρώματα, ενώ τα τρία που απέμεναν απέκρουσαν το δόρυ. Οι αντικρουστικές ιδιότητες της ασπίδας του Αχιλλέα επιβεβαιώνονται από την περιγραφή της μονομαχίας του με τον Αστεροπαίο (Φ 161-165) και επίσης της μονομαχίας του με τον Έκτορα (Χ 289-291).
Δεύτερο παράδειγμα αποτελεί η ασπίδα του Αίαντα, επίσης μια πολύστρωτη κατασκευή με επτά επάλληλα στρώματα από βόειο δέρμα και ένα εξωτερικό από σκληρό ορείχαλκο (Υ 273-283).
Και οι δύο κατασκευές εντάσσονται στην μεγάλη κατηγορία των λεγόμεων συνθέτων υλικών, που αποτελούν τη βάση των πλέον σύγχρονων κατασκευών υψηλής τεχνολογίας, όπως είναι οι αεροδιαστημικές κατασκευές. Αξίζει να σημειωθεί ότι μέχρι σήμερα ως παλαιότερη αναφορά σε σύνθετα υλικά εθεωρείτο η περιγραφή των παραπόνων των Εβραίων στον Φαραώ, ότι δεν τους χορηγούσε επαρκείς ποσότητες άχυρου, ώστε να φτιάχνουν πλίνθους από πηλό, που ήταν το κύριο τους έργο, όπως εμφανίζονται στο βιβλίο της Γένεσης.

Αριθμητική και πειραματική μελέτη των ασπίδων
Οι παραπάνω δύο αμυντικές διατάξεις μελετήθηκαν στο Εργαστήριο Τεχνικής Μελέτης με τη βοήθεια αριθμητικών μοντέλων, που αντιστοιχούσαν στους δύο διαφορετικούς μηχανισμούς απορροφήσεως ενέργειας του βλητικού στοιχείου. Για τη δερμάτινη ασπίδα έγινε επί πλέον εκτεταμένη πειραματική μελέτη, που θα περιγραφεί στη συνέχεια.
Και στις δύο διαδικασίες χρησιμοποιήθηκε ενέργεια βλήματος ίση προς την κινητική ενέργεια του ακοντίου ενός σύγχρονου ακοντιστή σε επίπεδο παγκοσμίου ρεκόρ, η οποία είναι ασφαλώς μεγαλύτερη από την αντίστοιχη ενέργεια ακοντίου σε μάχη εκ του συστάδην. Επίσης προσδιορίστηκαν με τη μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια και με βάση τις υπάρχουσες περιγραφές από τα ίδια τα Έπη και από την αρχαιολογική μαρτυρία, οι ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν. Έγιναν επίσης παραδοχές ως προς το μέγεθος της ασπίδας και το πάχος των διαφόρων στρωμάτων, κύρια με γνώμονα το μέγιστο βάρος που μπορεί να σηκώσει ένας πολεμιστής, έστω και με σώμα εξαιρετικά ανεπτυγμένο και γυμνασμένο.
Το αριθμητικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τη θεωρητική μελέτη της πρόσκρουσης του δόρατος φαίνεται στο Σχέδιο 1 (μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων).




Όπως αναφέρθηκε, χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά υπολογιστικά μοντέλα για τα αντίστοιχα είδη ασπίδων. Συγκεκριμένα:

  1. (α) Για την ασπίδα του Αχιλλέα: Στα επάλληλα μεταλλικά στρώματα εναλλάσονται το σκληρό υλικό (σκληρός ορείχαλκος κασσιτέρου δηλ. μπρούτζος) και μαλακό υλικό (καθαρός χρυσός). Στη περίπτωση αυτή η ενέργεια του διεισδύτη απορροφάται από την πλαστική παραμόρφωση του μαλακού υλικού. Η διάδοση της ρωγμής κατά το πάχος της ασπίδας αναστέλλεται και η ασπίδα δεν διατρύεται. Η τριβή ανάμεσα στα επάλληλα μεταλλικά στρώματα, καθώς αυτά παραμορφώνονται καμπτικά κατά την κρούση, απορροφά και αυτή ένα μέρος της ενέργειας πρόσκρουσης, δεν είναι όμως ο κύριος μηχανισμός αποσβέσεως, όπως συμβαίνει στην ασπίδα του Αίαντα.
  2. (β) Για την ασπίδα του Αίαντα: Εδώ η ενέργεια της πρόσκρουσης απορροφάται από την τριβή ανάμεσα στα επάλληλα στρώματα βοείου δέρματος που την αποτελούν. Και στις δύο περιπτώσεις απεδείχθη ότι και οι δύο κατασκευές, με δεδομένα υλικά και σύνθεση, εμφανίζουν μέγιστη αντίσταση σε διάτρηση. Η πειραματική μελέτη αφορούσε την ασπίδα του Αίαντα, που η αναπαραγωγή της σύμφωνα με τις περιγραφές της Ιλιάδος βρίσκονταν σε λογικά επίπεδα κόστους. Εδώ χρησιμοποιήθηκε βόειο δέρμα κομμένα σε διάφορα πάχη και κατασκευάστηκε ένας σημαντικός αριθμός δοκιμίων σε διαφόρους συνδυασμούς παχών, με διατήρηση όμως του συνολικού πάχους σε 7mm, π.χ. 4+3, 2+2+1. 4+1+1+1 κ.ο.κ. και συγκρίθηκε η συμπεριφορά τους σε διάτρηση με την περιγραφόμενη κατασκευή των 7 συνολικών στρωμάτων, με πάχος 1 mm το καθένα. Επί πλέον, σε όλες τις περιπτώσεις, έλασμα από σκληρό ορείχαλκο πάχους 1 mm αποτελούσε το πρόσθιο μέρος της ασπίδος. Για τη διάτρηση χρησιμοποιήθηκαν βλήματα από σκληρό ορείχαλκο, που η αιχμή τους φαίνεται στο Σχέδιο 2.




Τα δοκίμια είχαν την μορφή επίπεδης πλάκας διαστάσεων 120Χ120 mm και στερεώνονταν με ειδική διάταξη, που εκτός από τη σύσφιξη τους κατά την περίμετρο, εξασφάλιζε και τις απαιτήσεις ασφαλείας του πειραματιστή. Τέλος βολή εκτελούσε αεροβόλο κανόνι (Σχέδιο 3), που με την κατάλληλα επιλογή πίεσης αέρα, μάζας βλήματος και μήκους κάνης πληρούσε τις επιθυμητές προϋποθέσεις. Την ταχύτητα του βλήματος μετρούσε με ακρίβεια μια διπλή ακτίνα laser, που μέσω φωτοκυττάρων, τροφοδοτούσε τις διαδοχικές διελεύσεις του βλήματος σε καθολικό παλμογράφο. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρέθηκαν σε απόλυτη συμφωνία με τις υπολογιστικές προβλέψεις.




Τέλος τα γενικά συμπεράσματα, που έχουν σε πρώτη φάση προκύψει από την εν λόγω (συνεχιζόμενη) μελέτη, βρίσκονται επίσης σε απόλυτη συμφωνία με τις περιγραφές της Ιλιάδος ως προς την συμπεριφορά στη μάχη των εν λόγω αμυντικών διατάξεων. Σημειώνεται ακόμη ότι είναι δυνατή η εξαγωγή περαιτέρω συμπερασμάτων και ως προς τις κατασκευαστικές λεπτομέρειες των ασπίδων, (όπως π.χ. αν τα επάλληλα στρώματα των υλικών ήταν καρφωμένα μεταξύ τους και σε τι αποστάσεις) ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή κάθε φορά παραμόρφωση τους κατά την πρόσκρουση του διατρητικού στοιχείου, ή σε μεγαλύτερο βάθος μελέτη των ιδιοτήτων των διαθεσίμων υλικών κ.λ.π.