Was ist die Physik hinter Origami?
Wenn wir ein Papier falten und dann Druck auf die neu gebildete Falte ausüben, scheint sich die Papieroberfläche dauerhaft zu verformen, aber was genau ist mit dem Papier im molekularen Maßstab passiert?
Antworten
Grundsätzlich bleibt eine Falte oder Falte im Papier bestehen, da die Struktur der Fasern im Papier irreversibel beschädigt wurde. Dies geschieht, weil das Papier über seine Elastizitätsgrenze hinaus gebogen / komprimiert wird.
Papier besteht chemisch hauptsächlich aus Zellulose aus Pflanzenfasern. Es ist ein organisches Polymer, dessen D-Glucose-Einheiten über Wasserstoffbrücken verbunden sind. Diese Bindungen bilden sich zwischen dem Sauerstoffatom der zur Glucose gehörenden Einhydroxylgruppe und dem Wasserstoffatom der nächsten Glucoseeinheit. Dies sind mikroskopische Eigenschaften von Papier, aber um zu verstehen, was passiert, wenn wir Papier falten oder Origami machen, ist es ausreichend zu lernen, was makroskopisch passiert.
Alle Materialien haben eine sogenannte Elastizitätsgrenze und einen plastischen Bereich . Die Elastizitätsgrenze ist der Punkt, an dem sich ein Material biegt, aber dennoch in seine ursprüngliche Position zurückkehrt, ohne dass sich seine Struktur ändert oder beschädigt. Eine weitere Verformung des Materials über diese Grenze hinaus führt es in seinen plastischen Bereich. Zu diesem Zeitpunkt werden strukturelle oder physikalische Änderungen dauerhaft und das Papier kehrt nicht in seine ursprüngliche Form zurück.
Jedes Material hat eine andere Elastizitätsgrenze / Ausbeute und einen anderen plastischen Bereich. Stellen Sie sich vor, Sie halten ein Stück Papier leicht gebogen, aber falten oder knittern es nicht. Die Pflanzenfasern, aus denen das Papier besteht, haben ihre Elastizitätsgrenze nicht überschritten. Sobald Sie das Blatt Papier loslassen, kehrt es schnell in seinen nicht gefalteten ursprünglichen flachen Zustand zurück. Wenn Sie dieses Stück Papier jedoch in einen Zylinder rollen und einige Minuten lang halten, werden einige dieser Fasern über die Elastizitätsgrenze hinaus gedrückt, was offensichtlich ist, da es nicht mehr flach liegt und leichte Verformungen aufgetreten sind Blatt.
Wenn Sie nun ein Stück Papier wie beim Origami richtig falten, werden die Pflanzenfasern entlang der Falte in den Kunststoffbereich des Papiers gedrückt und erreichen einen Bruchpunkt an der tatsächlichen Falzlinie. Ein praktisches Beispiel hierfür ist, wenn Sie ein Stück Papier falten, werden Sie feststellen, dass das Papier direkt auf der Falte reißt, wenn Sie das Papier auf beiden Seiten der Falte gleichmäßig dehnen (eine schnelle Möglichkeit, Papier zu "schneiden") wenn Sie keine Schere haben). Die Falte wird dann irreversibel zu einem strukturellen Versagen und die Fasern im Papier werden niemals ihren ursprünglichen Zustand wiedererlangen.
Aufgrund der Beschädigung seiner Struktur wird das Papier von nun an diese Falte haben. Und egal wie sehr Sie versuchen, die Falte zu glätten, sie wird niemals in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Deshalb behalten Origami-Modelle immer ihre Form.
In Origami werden manchmal gebogene Falten verwendet - ein praktisches Beispiel ist die Pommes-Frites-Box, die in Fast-Food-Restaurants verwendet wird. Über die Mechanik solcher Strukturen ist jedoch wenig bekannt. Jetzt entwickeln Marcelo Dias, Christian Santangelo und Kollegen an der University of Massachusetts, Amherst und der Harvard University als erste eine Reihe von Gleichungen, um die Physik gekrümmter Faltenstrukturen zu beschreiben. Das Team bietet nicht nur ein besseres Verständnis für Origami, sondern hofft auch, dass die Arbeit zu praktischen 3D-Materialien führen wird, die sowohl stark als auch flexibel sind.
Santangelo und Kollegen konzentrierten sich auf einen Ring, da dies ein relativ einfaches Beispiel dafür ist, wie eine 2D-Struktur durch Erstellen einer gekrümmten Falte in ein 3D-Objekt umgewandelt werden kann. Um ein grundlegendes Verständnis der Physik zu erlangen, baute das Team einige Origami-Sättel aus Papier - aus denen sie ableiteten, welche physikalischen Eigenschaften für das Verständnis der Mechanik der gekrümmten Falte entscheidend sind.
Im Zentrum des Übergangs von einem 2D-Blatt zu einem 3D-Objekt stehen die planaren Spannungen, die beim Falten im Ring entstehen. Diese Spannungen werden durch das um sich selbst gewickelte Blech abgebaut, um eine sattelartige Struktur zu erzeugen. Wenn der Ring geschnitten wird, werden die Spannungen abgebaut und der Sattel fällt zu einem Ring zusammen, der flach liegt - wenn auch mit einem kleineren Radius.
( Quelle )