Być może zastanawialiście się kiedyś, dlaczego niewielkie zaciągnięcie potrafi doprowadzić do sprucia całego fragmentu dzianiny, podczas gdy w innym materiale podobne uszkodzenie pozostaje niemal niezauważalne. Poszukiwanie odpowiedzi na to pytanie zostało zwieńczone powstaniem publikacji, która trafiła na łamy Physical Review X.
Czytaj też: Tempomat, kontrola trakcji i dwie tarcze z przodu. Tak zaawansowanego Royal Enfielda jeszcze nie było
Jej autorzy, z Daisuke Shimamoto z Uniwersytetu Ritsumeikan na czele, opracowali metodę pozwalającą klasyfikować struktury tekstylne na podstawie sposobu, w jaki rozchodzą się w nich zaburzenia. W badaniach uczestniczyli również naukowcy związani z Uniwersytetem Tohoku i Uniwersytetem Aoyama Gakuin.
Zacznijmy od podstaw: tkaniny powstają poprzez łączenie i przeplatanie włókien lub przędz według określonych wzorów. To właśnie ich układ wpływa między innymi na elastyczność, stabilność i zachowanie materiału pod wpływem obciążenia. Badacze zwrócili uwagę, iż właściwości te można analizować za pomocą teorii węzłów, czyli działu matematyki zajmującego się splątanymi krzywymi i sposobami ich połączenia.
Japońscy naukowcy stworzyli dwuwymiarowe modele tekstyliów, przedstawiając je jako powtarzające się układy połączonych pętli. Następnie wprowadzali do tych struktur defekty, czyli zaburzenia regularnego wzoru ściegów, i obserwowali, jak zmieniają one sąsiednie fragmenty materiału. Istotne jest to, że analizowane defekty nie wymagały fizycznego przecięcia ani zerwania przędzy. Chodziło o matematyczne zaburzenie układu połączeń, które pozwalało prześledzić, jak sama topologia struktury wpływa na jej zachowanie.
Kolejnym etapem było sprawdzenie, czy analizowany układ można uznać za strukturę dzianinową. W tym celu badacze przekształcali modele, nakładając je na powierzchnię przypominającą torus, czyli kształtem podobnym do obwarzanka. Następnie analizowali, czy powstałe splątanie można rozdzielić do postaci prostych pętli bez przecinania połączeń.
Czytaj też:James Bond czy Spectre? Omega po raz pierwszy daje wybór i każe za niego słono zapłacić
Dzięki tej metodzie zespół badawczy potrafił odróżnić struktury oparte na pętlach, takie jak dzianiny i szydełkowanie, od innych klas materiałów tekstylnych. Co więcej, wyniki pokazały, że sposób rozchodzenia się defektów można wykorzystać do przewidywania, jak struktura będzie reagować na uszkodzenia. Badacze zaprojektowali zarówno układy ograniczające propagację defektów, jak i takie, w których zaburzenia rozprzestrzeniały się łatwiej. Oznacza to, iż odpowiednio dobrany wzór przeplatania może pomóc kontrolować podatność materiału na uszkodzenia.
Przemysł odzieżowy jest oczywistym beneficjentem tego postępu, wszak projektowanie tkanin odporniejszych na prucie mogłoby wydłużyć żywotność ubrań i ograniczyć potrzebę ich wymiany. W grę wchodzi też produkcja materiałów o właściwościach dopasowanych do konkretnego zastosowania, bez konieczności zmiany rodzaju użytej przędzy. Podobne zasady mogą mieć znaczenie także w badaniach nad polimerami, tkankami biologicznymi i materiałami stosowanymi w miękkiej robotyce. We wszystkich tych układach sposób łączenia i splątania elementów wpływa na ich właściwości mechaniczne.
Źródło:Physical Review X