Apa kesamaan selembar kertas yang dihancurkan menjadi bola dan dilemparkan ke keranjang sampah, bagian depan mobil yang berubah bentuk karena tabrakan , dan kerak bumi yang secara bertahap membentuk pegunungan selama jutaan tahun? Mereka semua mengalami proses fisik yang disebut crumpling, yang terjadi ketika lembaran material yang relatif tipis — material dengan ketebalan yang jauh lebih kecil dari panjang atau lebarnya — harus masuk ke area yang lebih kecil.
Dan sementara mudah untuk membayangkan kusut sebagai kekacauan belaka, para ilmuwan yang telah mempelajari kusut telah menemukan bahwa itu bukan apa-apa. Sebaliknya, meremas ternyata menjadi proses yang dapat diprediksi dan dapat direproduksi yang diatur oleh matematika. Terobosan terbaru dalam pemahaman kita tentang kusut adalah makalah yang baru-baru ini diterbitkan di Nature Communications, di mana para peneliti menggambarkan model fisik untuk apa yang terjadi ketika lembaran tipis diremas, dibuka, dan diremas kembali.
"Sejak usia dini, semua orang akrab dengan meremas selembar kertas menjadi bola, membuka lipatannya, dan melihat jaringan rumit lipatan yang terbentuk," jelas Christopher Rycroft , penulis korespondensi makalah tersebut. Dia adalah profesor di Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan John Al Paulson di Universitas Harvard, dan kepala Grup Rycroft untuk komputasi ilmiah dan pemodelan matematika. "Di permukaan, ini tampak seperti proses yang acak dan tidak teratur, dan Anda mungkin berpikir bahwa sulit untuk memprediksi apa pun tentang apa yang terjadi."
"Misalkan sekarang Anda mengulangi proses ini, meremas kertas lagi, dan membuka lipatannya. Anda akan mendapatkan lebih banyak lipatan," tulis Rycroft dalam email. "Namun, Anda tidak akan menggandakan jumlahnya, karena lipatan yang ada sudah melemahkan lembaran dan memungkinkannya melipat lebih mudah untuk kedua kalinya."
Total Panjang Lipatan = "Mileage"
Gagasan itu menjadi dasar eksperimen yang dilakukan beberapa tahun lalu oleh penulis makalah lainnya, mantan fisikawan Harvard Shmuel M. Rubinstein , yang sekarang berada di Universitas Ibrani Yerusalem, dan murid-muridnya. Seperti yang dijelaskan Rycroft, Rubenstein dan timnya meremas lembaran tipis berulang kali dan mengukur panjang total lipatan pada lembaran, yang mereka sebut "jarak tempuh." Penelitian tersebut dijelaskan dalam makalah 2018 ini .
"Mereka menemukan bahwa pertumbuhan jarak tempuh sangat dapat direproduksi, dan setiap kali perolehan jarak tempuh baru akan berkurang sedikit, karena lembarannya semakin melemah," kata Rycroft.
Temuan itu membuat bingung komunitas fisika, dan Rycroft serta kandidat doktor Harvard Jovana A Andrejevic ingin memahami mengapa kerutan berperilaku seperti itu.
"Kami menemukan bahwa cara untuk membuat kemajuan bukanlah dengan fokus pada lipatan itu sendiri, tetapi lebih pada melihat aspek yang tidak rusak yang digariskan oleh lipatan," kata Rycroft.
"Dalam percobaan, lembaran tipis Mylar, sebuah film tipis yang kusut mirip dengan kertas, secara sistematis kusut beberapa kali, mengembangkan beberapa lipatan baru dengan setiap pengulangan," Andrejevic, penulis utama makalah tahun 2021, menjelaskan melalui email. "Di antara kerutan, lembaran diratakan dengan hati-hati dan profil tingginya dipindai menggunakan alat yang disebut profilometer. Profilometer membuat pengukuran peta ketinggian di seluruh permukaan lembaran, yang memungkinkan kami menghitung dan memvisualisasikan lokasi lipatan sebagai gambar."
Karena kusut dapat menjadi berantakan dan tidak beraturan, ini menghasilkan data "berisik" yang sulit dipahami oleh otomatisasi komputer. Untuk mengatasi masalah itu, Andrejevic menelusuri pola lipatan tangan pada 24 lembar, menggunakan tablet PC, Adobe Illustrator, dan Photoshop. Itu berarti merekam 21.110 aspek secara total, seperti yang dirinci artikel New York Times baru-baru ini .
Berkat kerja keras dan analisis gambar Andrejevic, "kita bisa melihat distribusi ukuran segi saat kerutan berlangsung," Rycroft menjelaskan. Mereka menemukan bahwa distribusi ukuran dapat dijelaskan oleh teori fragmentasi, yang melihat bagaimana benda-benda mulai dari batu, pecahan kaca dan puing-puing vulkanik pecah menjadi potongan-potongan kecil dari waktu ke waktu. (Inilah makalah terbaru dari Journal of Glaciology yang menerapkannya pada gunung es.)
"Teori yang sama itu dapat secara akurat menjelaskan bagaimana segi-segi lembaran yang kusut itu pecah seiring waktu karena lebih banyak lipatan yang terbentuk," kata Rycroft. "Kami juga dapat menggunakannya untuk memperkirakan bagaimana lembaran menjadi lebih lemah setelah kusut, dan dengan demikian menjelaskan bagaimana akumulasi jarak tempuh melambat. Ini memungkinkan kami untuk menjelaskan hasil jarak tempuh — dan penskalaan logaritmik — yang terlihat dalam studi 2018. Kami percaya bahwa teori fragmentasi memberikan perspektif tentang masalah dan sangat berguna untuk memodelkan akumulasi kerusakan dari waktu ke waktu," kata Rycroft.
Mengapa Teori Crumple Penting?
Memperoleh wawasan tentang kusut berpotensi sangat penting untuk segala macam hal di dunia modern. "Jika Anda menggunakan material dalam kapasitas struktural apa pun, penting untuk memahami sifat kegagalannya," kata Rycroft. "Dalam banyak situasi, penting untuk memahami bagaimana bahan akan berperilaku di bawah pembebanan berulang. Misalnya, sayap pesawat bergetar ke atas dan ke bawah ribuan kali selama masa pakainya. Studi kami tentang kerutan berulang dapat dilihat sebagai sistem model untuk bagaimana bahan rusak. di bawah beban berulang. Kami berharap bahwa beberapa elemen inti dari teori kami, tentang bagaimana bahan dilemahkan oleh retakan/lipatan dari waktu ke waktu, mungkin memiliki analog dengan jenis bahan lain."
Dan terkadang, kerutan sebenarnya bisa dimanfaatkan secara teknologi. Rycroft mencatat bahwa lembaran graphene yang kusut, misalnya, telah disarankan sebagai kemungkinan untuk membuat elektroda berkinerja tinggi untuk baterai Li-ion. Selain itu, teori crumple memberikan wawasan tentang segala macam fenomena, mulai dari bagaimana sayap serangga terbuka dan bagaimana DNA mengemas ke dalam inti sel, seperti yang dicatat oleh artikel New York Times 2018 ini .
Mengapa beberapa benda hancur, bukan hanya pecah menjadi banyak bagian kecil?
"Kertas dan bahan lain yang mudah kusut memiliki karakteristik fleksibel dan mudah ditekuk, sehingga tidak mudah pecah," jelas Andrejevic. "Namun, bahan keras seperti batu atau kaca tidak mudah ditekuk, dan dengan demikian pecah sebagai respons terhadap gaya tekan. Saya akan mengatakan bahwa kusut dan pecah adalah proses yang cukup berbeda, tetapi ada beberapa kesamaan yang dapat kita kenali. Misalnya, keduanya kusut dan putus adalah mekanisme untuk menghilangkan tegangan dalam suatu material. Gagasan tentang lipatan yang melindungi bagian lain dari lembaran dari kerusakan mengacu pada kerusakan yang terlokalisasi pada punggungan yang sangat sempit pada lembaran. Faktanya, titik dan garis tajam yang terbentuk ketika lembaran kusut adalah daerah peregangan terlokalisasi di lembaran, yang secara energetik tidak menguntungkan.
"Lembar tipis yang diremas lebih suka ditekuk daripada diregangkan, pengamatan yang dapat kita lakukan dengan mudah dengan selembar kertas dengan mencoba menekuk atau meregangkannya dengan tangan kita. Dalam hal energi, ini berarti pembengkokan membutuhkan energi yang jauh lebih sedikit daripada peregangan. Ketika lembaran dibatasi sehingga tidak bisa lagi tetap datar, itu akan mulai menekuk untuk menyesuaikan dengan volume yang berubah.Tetapi setelah titik tertentu, menjadi tidak mungkin untuk memasukkan lembaran ke dalam volume kecil hanya dengan menekuk. "
Meningkatkan Pemahaman tentang Lipatan
Masih banyak yang perlu dipelajari tentang meremas. Misalnya, seperti yang dicatat Rycroft, tidak jelas apakah jenis kerutan yang berbeda — menggunakan piston silinder, misalnya, daripada tangan Anda — menghasilkan jenis pola lipatan yang berbeda. "Kami ingin memahami seberapa umum temuan kami," katanya.
Selain itu, peneliti ingin mempelajari lebih lanjut tentang mekanisme sebenarnya tentang bagaimana lipatan terbentuk, dan untuk dapat melakukan pengukuran selama proses, daripada hanya memeriksa hasil akhirnya.
"Untuk menyiasatinya, kami sedang mengembangkan simulasi mekanis 3D dari lembaran kusut, yang memungkinkan kami mengamati seluruh proses," kata Rycroft. "Sudah, simulasi kami dapat membuat pola lipatan yang mirip dengan yang terlihat dalam percobaan, dan ini memberi kami pandangan yang jauh lebih rinci tentang proses kusut."
Sekarang Itu Menarik
Seperti yang dijelaskan Andrejevic, penelitian sebelumnya tentang kusut sebenarnya menunjukkan bahwa semakin banyak lembaran yang diremas, semakin tahan terhadap kompresi lebih lanjut, sehingga semakin banyak gaya yang dibutuhkan untuk mengompresnya. "Ini dihipotesiskan sebagai hasil dari pegunungan yang berbaris dan bertindak sangat mirip dengan pilar struktural yang memberikan kekuatan yang meningkat pada lembaran yang kusut," katanya.
