Quelle est la physique derrière l'origami?
Si nous plions un papier puis appliquons une pression sur le pli nouvellement formé, il semble que la surface du papier subisse une déformation permanente, mais qu'est-il arrivé exactement au papier à l'échelle moléculaire?
Réponses
Fondamentalement, un pli ou un pli dans le papier restera car la structure des fibres du papier est devenue irréversiblement endommagée. Cela se produit parce que le papier est plié / comprimé au-delà de sa limite élastique.
Chimiquement, le papier est principalement composé de cellulose de fibres végétales. C'est un polymère organique, qui a des unités D-glucose reliées par des liaisons hydrogène. Ces liaisons se forment entre l'atome d'oxygène du groupe one-hydroxyle appartenant au glucose et l'atome d'hydrogène de l'unité glucose suivante. Ce sont des propriétés microscopiques du papier, mais pour comprendre ce qui se passe lorsque nous plions du papier ou faisons de l'origami, il suffit d'apprendre ce qui se passe de manière macroscopique.
Tous les matériaux ont ce qu'on appelle une limite élastique et une région plastique . La limite élastique est le point auquel un matériau se pliera mais retournera toujours à sa position d'origine sans aucun changement ou endommagement de sa structure. Une déformation supplémentaire du matériau au-delà de cette limite l'amène dans sa région plastique. À ce stade, tout changement structurel ou physique devient permanent et le papier ne retrouvera pas sa forme d'origine.
Chaque matériau a une limite d'élasticité / rendement et une région plastique différentes. Imaginez que vous tenez un morceau de papier légèrement plié sans le plier ni le froisser. Les fibres végétales qui composent le papier n'auront pas dépassé leur limite élastique. Ainsi, dès que vous lâchez la feuille de papier, elle revient rapidement à son état plat d'origine non froissé. Cependant, si vous enroulez ce morceau de papier dans un cylindre et le maintenez pendant quelques minutes, certaines de ces fibres seront poussées au-delà de la limite élastique qui est évidente car elle ne sera plus à plat et de légères déformations se sont produites feuille.
Maintenant, lorsque vous pliez correctement un morceau de papier comme vous le feriez pendant l'Origami, les fibres végétales le long du pli seront poussées dans la région plastique du papier et atteindront un point de fracture à la ligne réelle du pli. Un exemple pratique de ceci est que si vous pliez un morceau de papier, vous remarquerez que si vous étirez le papier uniformément des deux côtés du pli, le papier se déchirera directement sur le pli (un moyen rapide de "couper" le papier si vous n'avez pas de ciseaux). Le pli devient alors une défaillance structurelle de manière irréversible et les fibres du papier ne retrouveront jamais leur état d'origine.
En raison de l'endommagement de sa structure, le papier aura désormais ce pli. Et peu importe à quel point vous essayez d'aplatir le pli, il ne reviendra jamais à son état d'origine. C'est pourquoi les modèles Origami conservent continuellement leur forme.
Les plis courbes sont parfois utilisés en origami - un exemple pratique étant la boîte à frites utilisée dans les restaurants de restauration rapide. Cependant, la mécanique de telles structures est mal connue. Maintenant, Marcelo Dias, Christian Santangelo et leurs collègues de l'Université du Massachusetts, d'Amherst et de l'Université Harvard sont les premiers à développer un ensemble d'équations pour décrire la physique des structures à plis courbes. En plus de fournir une meilleure compréhension de l'origami, l'équipe espère que le travail aboutira à des matériaux 3D pratiques à la fois solides et flexibles.
Santangelo et ses collègues se sont concentrés sur un anneau car il s'agit d'un exemple relativement simple de la façon dont une structure 2D peut être transformée en objet 3D en créant un pli incurvé. Pour acquérir une compréhension de base de la physique, l'équipe a construit quelques selles en origami en papier - à partir desquelles ils ont déduit quelles propriétés physiques sont essentielles pour comprendre la mécanique du pli incurvé.
Au cœur de la transition d'une feuille 2D à un objet 3D se trouvent les contraintes planes créées dans l'anneau lorsqu'il est plié. Ces contraintes sont soulagées par la feuille s'enroulant autour d'elle-même pour créer une structure en forme de selle. Si l'anneau est coupé, alors les contraintes sont soulagées et la selle s'effondrera en un anneau qui reposera à plat - quoique avec un rayon plus petit.
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