종이 접기의 물리학은 무엇입니까?
종이를 접은 다음 새로 형성된 주름에 압력을 가하면 종이의 표면이 영구적 인 변형을받는 것처럼 보이지만 분자 규모로 종이에 정확히 무슨 일이 일어 났습니까?
답변
기본적으로 종이의 섬유 구조가 돌이킬 수 없을 정도로 손상 되었기 때문에 종이의 접힘 또는 주름이 남아 있습니다. 이는 용지가 탄성 한계 이상으로 구부러 지거나 압축되기 때문에 발생합니다.
화학적으로 종이는 주로 식물 섬유 의 셀룰로오스 로 구성 됩니다. 그것은 수소 결합을 통해 연결된 D- 포도당 단위를 가진 유기 중합체입니다. 이러한 결합은 포도당에 속하는 1- 히드 록 실기의 산소 원자 와 다음 포도당 단위의 수소 원자 사이에 형성 됩니다. 이것들은 종이의 미세한 속성이지만 종이를 접거나 종이 접기를 할 때 어떤 일이 일어나는지 이해하기 위해서는 거시적으로 일어나는 일을 배우는 것으로 충분합니다.
모든 재료에는 탄성 한계와 소성 영역이 있습니다. 탄성 한계는 재료가 구부러 지지만 구조를 변경하거나 손상하지 않고 원래 위치로 돌아가는 지점입니다. 이 한계를 넘어서 재료를 더 변형하면 플라스틱 영역으로 이동합니다. 이 시점에서 모든 구조적 또는 물리적 변경은 영구적이되고 종이는 원래 형태로 돌아 가지 않습니다.
모든 재료는 탄성 한계 / 수율과 소성 영역이 다릅니다. 종이가 약간 구부러져 있지만 접거나 구겨지지 않는다고 상상해보십시오. 종이를 구성하는 식물 섬유는 탄성 한계를 초과하지 않을 것입니다. 따라서 종이 시트를 놓 자마자 주름지지 않은 원래의 평평한 상태로 빠르게 돌아갑니다. 그러나 그 종이 조각을 원통에 넣고 몇 분 동안 유지하면 이러한 섬유 중 일부는 더 이상 평평하지 않고 약간의 변형이 발생하기 때문에 분명한 탄성 한계를 넘어서 밀려납니다. 시트.
이제 종이 접기를 할 때처럼 종이를 적절하게 접 으면 주름을 따라있는 식물 섬유가 종이의 플라스틱 영역으로 밀려 들어가 실제 접힌 선의 골절 지점에 도달합니다. 이에 대한 실용적인 예는 종이를 접는 경우 접힌 양면에서 종이를 균등하게 펴면 접힌 부분에서 바로 찢어집니다 (종이를 "자르는"빠른 방법). 가위가없는 경우). 접힌 부분은 돌이킬 수없는 구조적 결함이되며 종이의 섬유는 원래 상태로 돌아 오지 않습니다.
그 구조의 손상으로 인해 종이는 그때부터이 접힘을 갖게됩니다. 그리고 접힌 부분을 아무리 펴려고해도 원래 상태로 돌아 가지 않습니다. 이것이 Origami 모델이 지속적으로 모양을 유지하는 이유입니다.
구부러진 주름은 때때로 종이 접기에서 사용됩니다. 실용적인 예는 패스트 푸드 식당에서 사용되는 프렌치 프라이 상자입니다. 그러나 이러한 구조의 역학에 대해서는 거의 이해되지 않습니다. 이제 매사추세츠 대학, 애 머스트 및 하버드 대학의 Marcelo Dias, Christian Santangelo 및 동료들은 곡선 형 주름 구조의 물리학을 설명하기위한 방정식 세트를 처음으로 개발했습니다. 팀은 종이 접기에 대한 더 나은 이해를 제공 할뿐만 아니라이 작업이 강력하고 유연한 실용적인 3D 재료로 이어지기를 희망합니다.
Santangelo와 동료들은 곡선 주름을 만들어 2D 구조를 3D 개체로 변환 할 수있는 비교적 간단한 예이기 때문에 링에 집중했습니다. 물리학에 대한 기본적인 이해를 얻기 위해 팀은 종이로 종이 접기 안장 몇 개를 만들어 곡선 주름의 역학을 이해하는 데 중요한 물리적 특성을 추론했습니다.
2D 시트에서 3D 개체로의 전환의 핵심은 접었을 때 링에 생성되는 평면 응력입니다. 이러한 응력은 안장과 같은 구조를 만들기 위해 자체를 감싸는 시트에 의해 완화됩니다. 링이 절단되면 응력이 완화되고 안장은 반경이 더 작더라도 평평하게 놓이는 링으로 무너집니다.
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