Malzemelerin "geometrik engellenmede" sıkıştırıldığında nasıl tepki verdiğini öğrenmek, her türden günlük ürün ve malzemenin tasarımına yardımcı olan buruşma teorisi biliminin arkasındadır.
Bir topun içine ezilip çöp sepetine atılan bir kağıt yaprağının, bir çarpışmada deforme olan bir arabanın ön ucu ve milyonlarca yıl boyunca yavaş yavaş dağ oluşturan Dünya'nın kabuğunun ortak yönü nedir? Hepsi buruşma denen fiziksel bir süreç geçiriyorlar; bu, nispeten ince bir malzeme tabakasının (uzunluğu veya genişliğinden çok daha az kalınlığa sahip olan) daha küçük bir alana sığması gerektiğinde meydana geliyor.
Buruşmayı sadece umutsuz bir kargaşa olarak hayal etmek kolay olsa da, buruşturma üzerine çalışan bilim adamları bunun bundan başka bir şey olmadığını keşfettiler. Aksine, buruşma, matematik tarafından yönetilen öngörülebilir, tekrarlanabilir bir süreç olarak ortaya çıkıyor. Crumpling anlayışımızda son atılım bir olan kağıt geçenlerde araştırmacılar ince levhalar katlanmamış, buruşuk ve recrumpled zaman ne olacağını için fiziksel bir modeli tarif ettiği Doğa Communications, yayınlanan.
Makalenin yazarı Christopher Rycroft , "Küçük yaşlardan itibaren herkes bir kağıdı bir top haline getirmeye, açmaya ve oluşan karmaşık kırışık ağına bakmaya aşinadır" diye açıklıyor . Harvard Üniversitesi'nde John Al Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'nda doçent ve Rycroft Grubu'nun bilimsel hesaplama ve matematiksel modelleme başkanıdır . "Yüzeyde bu rastgele, düzensiz bir süreç gibi görünüyor ve ne olacağı hakkında herhangi bir şeyi tahmin etmenin zor olduğunu düşünebilirsiniz."
Rycroft bir e-postada, "Şimdi bu işlemi tekrarladığınızı, kağıdı tekrar kırdığınızı ve açtığınızı varsayalım. Daha fazla kırışıklık elde edeceksiniz." "Ancak, sayıyı ikiye katlamazsınız, çünkü mevcut kırışıklıklar levhayı zaten zayıflattı ve ikinci seferde daha kolay katlanmasına izin verdi."
Toplam Kırışıklık Uzunluğu = "Kilometre"
Bu fikir, birkaç yıl önce makalenin yazarlarından biri, şu anda Kudüs İbrani Üniversitesi'nde bulunan eski Harvard'lı fizikçi Shmuel M. Rubinstein ve öğrencileri tarafından yapılan deneylerin temelini oluşturdu . Rycroft'un açıkladığı gibi, Rubenstein ve ekibi, ince bir çarşafı defalarca kırıştırdılar ve "kilometre" dedikleri çarşaf üzerindeki toplam kırışıklık uzunluğunu ölçtüler. Bu araştırma, bu 2018 makalesinde anlatılmıştır .
Rycroft, "Kilometre artışının çarpıcı bir şekilde yeniden üretilebilir olduğunu ve her defasında yeni kilometre performansının biraz daha az olacağını gördüler, çünkü sayfa giderek zayıflıyor," diyor Rycroft.
Bu bulgu fizik camiasını şaşkına çevirdi ve Rycroft ve Harvard doktora adayı Jovana A Andrejevic buruşmanın neden bu şekilde davrandığını anlamak istedi.
Rycroft, "İlerleme sağlamanın yolunun kırışıklıkların kendisine odaklanmaktan ziyade kırışıklıklar tarafından ana hatları çizilen hasar görmemiş yönlere bakmak olduğunu gördük," diyor.
Buruşuk bir kağıt yaprağındaki kırışıklıkların toplam uzunluğuna "kilometre" denir. Tekrarlanan buruşma, kağıt zayıfladıkça daha az yeni kilometre sağlar.
2021 gazetesinin baş yazarı Andrejevic e-posta yoluyla, "Deneyde, kağıda benzer şekilde buruşan ince bir film olan ince Mylar tabakaları, sistematik olarak birkaç kez buruşturuldu ve her tekrarda yeni kırışıklıklar oluştu." "Buruşukluklar arasında, tabakalar dikkatlice düzleştirildi ve profilometre adı verilen bir alet kullanılarak yükseklik profilleri tarandı. Profilometre, tabaka yüzeyi boyunca yükseklik haritasının ölçümlerini yapar, bu da kırışıkların konumlarını hesaplamamıza ve görselleştirmemize olanak tanır. görüntü. "
Kırışma dağınık ve düzensiz olabileceğinden, bilgisayar otomasyonunun anlamlandırması zor olabilen "gürültülü" veriler üretir. Bu sorunun üstesinden gelmek için Andrejevic, bir tablet PC, Adobe Illustrator ve Photoshop kullanarak kırışıklık desenlerini 24 sayfa üzerinde elle izledi. Bu, son New York Times makalesinin ayrıntıları olarak, toplamda 21.110 façet kaydetmek anlamına geliyordu .
Andrejevic'in emekleri ve görüntü analizi sayesinde, "buruşma ilerledikçe faset boyutlarının dağılımlarına bakabilirdik," diye açıklıyor Rycroft. Boyut dağılımlarının, kayalardan, cam kırıntılarından ve volkanik döküntülerden farklı nesnelerin zamanla küçük parçalara nasıl ayrıldığına bakan parçalanma teorisi ile açıklanabileceğini buldular. (İşte Journal of Glaciology'den onu buzdağlarına uygulayan yeni bir makale .)
Rycroft, "Aynı teori, buruşuk tabakanın yüzeylerinin zaman içinde nasıl daha fazla kırışık oluştuğunda nasıl kırıldığını doğru bir şekilde açıklayabilir" diyor. "Ayrıca, buruşukluktan sonra sayfanın nasıl zayıfladığını tahmin etmek için de kullanabiliriz ve böylece kilometre birikiminin nasıl yavaşladığını açıklayabiliriz. Bu , 2018 çalışmasında görülen kilometre sonuçlarını ve logaritmik ölçeklendirmeyi açıklamamıza olanak tanır . Biz Parçalanma teorisinin soruna bir bakış açısı sağladığına ve özellikle zaman içindeki hasar birikimini modellemek için yararlı olduğuna inanıyor, "diyor Rycroft.
Crumple Teorisi Neden Önemlidir?
Buruşma hakkında içgörü kazanmak, modern dünyadaki her tür şey için potansiyel olarak gerçekten önemlidir. Rycroft, "Herhangi bir yapısal kapasitede bir malzeme kullanıyorsanız, arıza özelliklerini anlamak çok önemlidir" diyor. "Çoğu durumda, malzemelerin tekrarlanan yükleme altında nasıl davranacağını anlamak önemlidir. Örneğin, uçak kanatları ömürleri boyunca binlerce kez yukarı ve aşağı titreşir. Tekrarlanan buruşmalarla ilgili çalışmamız, malzemelerin nasıl hasar gördüğüne dair model bir sistem olarak görülebilir. Teorimizin, malzemelerin zaman içinde kırılmalar / kırışmalarla nasıl zayıflatıldığına ilişkin bazı temel unsurlarının diğer malzeme türlerinde benzerleri olabileceğini umuyoruz. "
Ve bazen buruşturma aslında teknolojik olarak kullanılabilir. Rycroft, örneğin buruşuk grafen tabakalarının Li-ion piller için yüksek performanslı elektrotlar yapmak için bir olasılık olarak önerildiğini belirtiyor. Ayrıca, bu 2018 New York Times makalesinin de belirttiği gibi, buruşma teorisi, böceklerin kanatlarının nasıl açıldığına ve DNA'nın bir hücre çekirdeğine nasıl yerleştiğine kadar her türlü olguyu kavrayabiliyor .
Neden bazı nesneler çok sayıda küçük parçaya ayrılmak yerine buruşuyor?
Andrejevic, "Buruşan kağıt ve diğer malzemeler karakteristik olarak esnektir ve bükülmesi kolaydır, bu nedenle kırılma olasılığı yoktur." "Bununla birlikte, kaya veya cam gibi sert malzemeler kolayca bükülmez ve bu nedenle bir sıkıştırma kuvvetine tepki olarak kırılmaz. Buruşma ve kırılmanın oldukça farklı süreçler olduğunu söyleyebilirim, ancak tanıyabileceğimiz bazı benzerlikler vardır. Örneğin, her ikisi de buruşma ve kırılma, bir malzemedeki gerilimi hafifletme mekanizmalarıdır.Bir tabakanın diğer bölgelerini hasardan koruyan kırışıklıklar fikri, tabakadaki çok dar çıkıntılara lokalize olan hasarı ifade eder. Aslında, bir tabaka buruştuğunda oluşan keskin köşe ve çıkıntılar enerji açısından elverişsiz olan, tabakada lokalize germe bölgeleridir. Sonuç olarak,levha, bu maliyetli deformasyonları çok dar bölgelerle sınırlayarak, yaprağın geri kalanını mümkün olduğunca koruyarak en aza indirir.
"Buruşan ince tabakalar gerilmektense bükülmeyi tercih ediyor, bu, bir kağıt yaprağını elimizle bükmeye veya esnetmeye çalışarak kolayca yapabileceğimiz bir gözlem. Enerji açısından bu, bükmenin gerilmeye göre çok daha az enerji maliyeti olduğu anlamına gelir. Bir sac artık düz kalamayacak şekilde hapsedildiğinde değişen hacme uyum sağlamak için bükülmeye başlar, ancak belli bir noktadan sonra tek başına bükülerek sacı küçük bir hacme sığdırmak imkansız hale gelir. "
Buruşuklukların Anlaşılmasını Arttırmak
Buruşma hakkında hala öğrenilmesi gereken çok şey var. Örneğin, Rycroft'un belirttiği gibi, farklı buruşma türlerinin (örneğin elinizden ziyade silindirik bir piston kullanılması) farklı bir kırışma modeliyle sonuçlanıp sonuçlanmadığı açık değildir. "Bulgularımızın ne kadar genel olduğunu anlamak istiyoruz" diyor.
Ek olarak, araştırmacılar, sadece nihai sonucu incelemek yerine, kırışıklıkların nasıl oluştuğunun gerçek mekaniği hakkında daha fazla bilgi edinmek ve işlem sırasında ölçümler yapabilmek istiyor.
Rycroft, "Bunu aşmak için şu anda buruşuk bir tabakanın 3 boyutlu mekanik simülasyonunu geliştiriyoruz, bu da tüm süreci gözlemlememize olanak tanıyor," diyor Rycroft. "Simülasyonumuz şimdiden deneyde görülenlere benzer kırışma kalıpları oluşturabiliyor ve bize buruşma sürecinin çok daha ayrıntılı bir görünümünü sağlıyor."
Şimdi Bu İlginç
Andrejevic'in açıkladığı gibi, buruşma üzerine yapılan önceki araştırmalar aslında, bir çarşafın ne kadar buruştuğunu, daha fazla sıkıştırmaya o kadar direnç gösterdiğini, dolayısıyla onu sıkıştırmak için giderek daha fazla kuvvet gerektiğini gösteriyor. "Bunun, buruşuk tabakaya artan mukavemetini veren yapısal sütunlar gibi sıralanan ve hareket eden çıkıntıların bir sonucu olduğu varsayıldı" diyor.
