Jaka jest fizyka kryjąca się za origami?
Jeśli złożymy papier, a następnie wywieramy nacisk na nowo utworzoną fałdę, wydaje się, że powierzchnia papieru ulega trwałej deformacji, ale co dokładnie stało się z papierem w skali molekularnej?
Odpowiedzi
Zasadniczo, fałda lub zagięcie papieru pozostanie, ponieważ struktura włókien w papierze została nieodwracalnie uszkodzona. Dzieje się tak, ponieważ papier jest zgięty / ściśnięty poza granicę elastyczności.
Pod względem chemicznym papier składa się głównie z celulozy z włókien roślinnych. Jest to organiczny polimer, w którym jednostki D-glukozy są połączone wiązaniami wodorowymi. Wiązania te tworzą się między atomem tlenu jednej grupy hydroksylowej należącej do glukozy a atomem wodoru następnej jednostki glukozy. Są to mikroskopijne właściwości papieru, ale aby zrozumieć, co się dzieje, gdy składamy papier lub robimy origami, wystarczy dowiedzieć się, co dzieje się makroskopowo.
Wszystkie materiały mają tak zwaną granicę elastyczności i obszar plastyczny . Granica sprężystości to punkt, w którym materiał zgina się, ale nadal powraca do swojego pierwotnego położenia bez jakiejkolwiek zmiany lub uszkodzenia swojej struktury. Dalsze odkształcanie materiału poza tę granicę prowadzi do jego obszaru plastycznego. W tym momencie wszelkie zmiany strukturalne lub fizyczne stają się trwałe, a papier nie powróci do swojej pierwotnej formy.
Każdy materiał ma inną granicę elastyczności / plastyczności i obszar plastyczny. Wyobraź sobie, że trzymasz kawałek papieru lekko zgięty, ale nie składany ani nie fałdujący. Włókna roślinne, z których składa się papier, nie przekroczą granicy elastyczności. Tak więc, gdy tylko puścisz arkusz papieru, szybko powróci on do pierwotnego, nienaruszonego stanu płaskiego. Jeśli jednak zwinąłbyś ten kawałek papieru w cylinder i przytrzymał go przez kilka minut, niektóre z tych włókien zostaną wypchnięte poza granicę elastyczności, co jest oczywiste, ponieważ nie będzie już leżeć płasko i wystąpiły niewielkie odkształcenia arkusz.
Teraz, kiedy prawidłowo złożysz kartkę papieru, tak jak w przypadku origami, włókna roślinne wzdłuż zagięcia zostaną wepchnięte w obszar plastiku papieru i osiągną punkt pęknięcia na rzeczywistej linii zagięcia. Praktycznym przykładem jest to, że gdybyś złożył kartkę papieru, zauważysz, że jeśli równomiernie rozciągniesz papier po obu stronach zagięcia, papier podrze się bezpośrednio na zgięciu (szybki sposób na „cięcie” papieru jeśli nie masz nożyczek). Zagięcie staje się wówczas nieodwracalnym uszkodzeniem strukturalnym, a włókna w papierze nigdy nie odzyskają swojego pierwotnego stanu.
Z powodu uszkodzenia struktury papier będzie miał odtąd tę fałdę. I bez względu na to, jak bardzo będziesz próbował spłaszczyć fałd, nigdy nie wróci do swojego pierwotnego stanu. Dlatego modele Origami nieustannie zachowują swój kształt.
W origami czasami stosuje się zakrzywione zagięcia - praktycznym przykładem jest pudełko na frytki używane w restauracjach typu fast food. Jednak niewiele wiadomo na temat mechaniki takich konstrukcji. Teraz Marcelo Dias, Christian Santangelo i współpracownicy z University of Massachusetts, Amherst i Harvard University jako pierwsi opracowali zestaw równań opisujących fizykę struktur zakrzywionych. Oprócz lepszego zrozumienia origami zespół ma nadzieję, że prace doprowadzą do powstania praktycznych materiałów 3D, które będą zarówno mocne, jak i elastyczne.
Santangelo i koledzy skupili się na pierścieniu, ponieważ jest to stosunkowo prosty przykład tego, jak strukturę 2D można przekształcić w obiekt 3D, tworząc zakrzywioną fałdę. Aby uzyskać podstawową wiedzę na temat fizyki, zespół zbudował z papieru kilka siodełek do origami - z których wywnioskował, które właściwości fizyczne są kluczowe dla zrozumienia mechaniki zakrzywionej fałdy.
W centrum przejścia z arkusza 2D do obiektu 3D znajdują się płaskie naprężenia powstające w pierścieniu podczas jego składania. Te naprężenia są łagodzone przez owijanie się arkusza wokół siebie, tworząc strukturę przypominającą siodło. Jeśli pierścień zostanie przecięty, naprężenia zostaną złagodzone, a siodełko zapadnie się w pierścień, który będzie leżeć płasko - aczkolwiek z mniejszym promieniem.
( Źródło )