Co wspólnego mają ze sobą zgnieciona w kulkę kartka papieru i wrzucona do kosza na śmieci, przód samochodu odkształcający się podczas wypadku i skorupa ziemska stopniowo tworząca góry przez miliony lat? Wszystkie przechodzą proces fizyczny zwany zgniataniem, który ma miejsce, gdy stosunkowo cienki arkusz materiału – taki, którego grubość jest znacznie mniejsza niż jego długość lub szerokość – musi zmieścić się na mniejszym obszarze.
I choć łatwo wyobrazić sobie zgniatanie jako zwykły nieporządek, naukowcy, którzy badali zgniatanie, odkryli, że to nie wszystko. Wręcz przeciwnie, zgniatanie okazuje się przewidywalnym, powtarzalnym procesem rządzonym przez matematykę. Najnowszym przełomem w naszym zrozumieniu zgniatania jest artykuł opublikowany niedawno w Nature Communications, w którym naukowcy opisują fizyczny model tego, co dzieje się, gdy cienkie arkusze są gniecione, rozkładane i ponownie zgniatane.
„Od najmłodszych lat wszyscy są zaznajomieni z zgniataniem kartki papieru w kulkę, rozkładaniem jej i przyglądaniem się skomplikowanej sieci zagnieceń, które tworzą” – wyjaśnia Christopher Rycroft , autor korespondujący z gazetą. Jest profesorem nadzwyczajnym w John Al Paulson School of Engineering and Applied Sciences na Uniwersytecie Harvarda oraz szefem grupy Rycroft zajmującej się obliczeniami naukowymi i modelowaniem matematycznym. „Na pierwszy rzut oka wydaje się to być przypadkowym, nieuporządkowanym procesem i można by pomyśleć, że trudno jest w ogóle przewidzieć co się stanie”.
„Załóżmy teraz, że powtarzasz ten proces, ponownie zgniatasz papier i rozkładasz go. Otrzymasz więcej zagnieceń” – pisze Rycroft w e-mailu. „Jednak nie podwoisz liczby, ponieważ istniejące zagięcia już osłabiły arkusz i umożliwiają łatwiejsze składanie za drugim razem”.
Całkowita długość zagnieceń = „Przebieg”
Pomysł ten stał się podstawą eksperymentów przeprowadzonych kilka lat temu przez innego autora artykułu, byłego fizyka z Harvardu Shmuela M. Rubinsteina , który obecnie pracuje na Uniwersytecie Hebrajskim w Jerozolimie, i jego studentów. Jak wyjaśnia Rycroft, Rubenstein i jego zespół wielokrotnie zgniatali cienki arkusz i mierzyli całkowitą długość zagnieceń na arkuszu, co nazwali „przebiegiem”. Badania te zostały opisane w niniejszym artykule z 2018 roku .
„Odkryli, że wzrost przebiegu jest uderzająco powtarzalny i za każdym razem naliczanie nowego przebiegu będzie nieco mniejsze, ponieważ blacha stopniowo słabnie” – mówi Rycroft.
To odkrycie zaskoczyło społeczność fizyków, a doktorantka Rycroft i Harvard Jovana A Andrejevic chciała zrozumieć, dlaczego zgniatanie zachowuje się w ten sposób.
„Odkryliśmy, że sposobem na osiągnięcie postępu nie było skupienie się na samych fałdach, ale raczej przyjrzenie się nieuszkodzonym aspektom, które są przez nie zarysowane” – mówi Rycroft.
„W eksperymencie cienkie arkusze Mylaru, cienkiej folii, która zgniata się podobnie jak papier, były systematycznie kilkakrotnie zgniatane, tworząc nowe zagięcia przy każdym powtórzeniu” – wyjaśnia w e-mailu Andrejevic, główny autor artykułu z 2021 roku. „Pomiędzy zgnieceniami arkusze zostały starannie spłaszczone, a ich profil wysokości zeskanowany za pomocą przyrządu zwanego profilometrem. Profilometr dokonuje pomiarów mapy wysokości na powierzchni arkusza, co pozwala nam obliczyć i zwizualizować położenie zagnieceń jako obraz."
Ponieważ fałdowanie może być niechlujne i nieregularne, generuje „zaszumione” dane, które mogą być trudne do zrozumienia przez automatykę komputerową. Aby obejść ten problem, Andrejevic ręcznie prześledził wzory zagnieceń na 24 arkuszach, używając tabletu PC, programu Adobe Illustrator i Photoshop. Oznaczało to nagranie łącznie 21 110 aspektów, jak szczegółowo opisuje ten ostatni artykuł w New York Times .
Dzięki pracy Andrejevicia i analizie obrazu „mogliśmy przyjrzeć się rozkładowi rozmiarów ścianek w miarę postępu zgniatania” — wyjaśnia Rycroft. Odkryli, że rozkłady rozmiarów można wyjaśnić teorią fragmentacji, która analizuje, w jaki sposób obiekty, takie jak skały, odłamki szkła i szczątki wulkaniczne, z czasem rozpadają się na małe kawałki. (Oto ostatni artykuł z Journal of Glaciology, który stosuje go do gór lodowych.)
„Ta sama teoria może dokładnie wyjaśnić, w jaki sposób fasety pogniecionego arkusza rozpadają się w czasie, gdy powstaje więcej zagnieceń” – mówi Rycroft. „Możemy go również użyć do oszacowania, w jaki sposób arkusz staje się słabszy po zgnieceniu, a tym samym wyjaśnić, w jaki sposób spowalnia nagromadzenie przebiegu. To pozwala nam wyjaśnić wyniki przebiegu — i skalowanie logarytmiczne — które zaobserwowano w badaniu z 2018 roku. Uważam, że teoria fragmentacji zapewnia perspektywę problemu i jest szczególnie przydatna do modelowania akumulacji uszkodzeń w czasie” – mówi Rycroft.
Dlaczego teoria zgniatania ma znaczenie?
Zdobywanie wiedzy na temat zgniatania jest potencjalnie bardzo ważne dla wszelkiego rodzaju rzeczy we współczesnym świecie. „Jeśli używasz materiału o dowolnej zdolności strukturalnej, bardzo ważne jest zrozumienie jego właściwości awaryjnych” – mówi Rycroft. „W wielu sytuacjach ważne jest, aby zrozumieć, jak materiały będą się zachowywać przy wielokrotnym obciążeniu. Na przykład skrzydła samolotu wibrują w górę i w dół tysiące razy w ciągu swojego życia. Nasze badanie powtarzającego się zgniatania można traktować jako modelowy system uszkodzeń materiałów pod powtarzającym się obciążeniem. Spodziewamy się, że niektóre kluczowe elementy naszej teorii, dotyczące tego, w jaki sposób materiały są osłabiane przez pęknięcia/pofałdowania w czasie, mogą mieć odpowiedniki w innych rodzajach materiałów.
Czasami zgniatanie może być faktycznie wykorzystane technologicznie. Rycroft zauważa, że na przykład sugerowano zgniecione arkusze grafenowe jako możliwość wytwarzania wysokowydajnych elektrod do akumulatorów litowo-jonowych. Ponadto teoria zgniotu zapewnia wgląd w różnego rodzaju zjawiska, od tego, jak rozwijają się skrzydła owadów i jak DNA pakuje się w jądro komórkowe, jak zauważa ten artykuł w New York Times z 2018 roku .
Dlaczego niektóre przedmioty się kruszą, a nie rozpadają na wiele małych kawałków?
„Papier i inne materiały, które się gniotą, są charakterystycznie elastyczne i łatwo się je zginają, więc jest mało prawdopodobne, aby się złamały”, wyjaśnia Andrejevic. „Jednak twarde materiały, takie jak skała lub szkło, nie wyginają się łatwo, a zatem pękają w odpowiedzi na siłę ściskającą. Powiedziałbym, że kruszenie i łamanie to całkiem odrębne procesy, ale istnieją pewne podobieństwa, które możemy rozpoznać. Na przykład kruszenie i pękanie są mechanizmami łagodzenia naprężeń w materiale. Idea zagnieceń chroniących inne obszary arkusza przed uszkodzeniem odnosi się do uszkodzenia zlokalizowanego w bardzo wąskich grzbietach w arkuszu. W rzeczywistości ostre wierzchołki i grzbiety powstające podczas zgniatania arkusza to zlokalizowane obszary rozciągania w arkuszu, które są niekorzystne energetycznie.
„Cienkie arkusze, które się gniotą, wolą zginać niż rozciągać. To spostrzeżenie, które możemy łatwo poczynić za pomocą kartki papieru, próbując ją zginać lub rozciągać rękami. W kategoriach energii oznacza to, że zginanie kosztuje znacznie mniej energii niż rozciąganie Kiedy arkusz jest tak ograniczony, że nie może już dłużej pozostać płaski, zacznie się wyginać, aby dostosować się do zmieniającej się objętości.Ale po pewnym momencie niemożliwe staje się dopasowanie arkusza do małej objętości przez samo zginanie. "
Zwiększenie zrozumienia fałd
Jest jeszcze wiele do nauczenia się na temat zgniatania. Na przykład, jak zauważa Rycroft, nie jest jasne, czy różne rodzaje zgniatania — na przykład użycie cylindrycznego tłoka zamiast dłoni — skutkują innym rodzajem wzoru zagnieceń. „Chcielibyśmy zrozumieć, jak ogólne są nasze odkrycia” – mówi.
Ponadto naukowcy chcą dowiedzieć się więcej o rzeczywistej mechanice powstawania zagnieceń i móc dokonywać pomiarów podczas procesu, a nie tylko badać wynik końcowy.
„Aby obejść ten problem, opracowujemy obecnie trójwymiarową symulację mechaniczną zgniecionego arkusza, która pozwoli nam obserwować cały proces” – mówi Rycroft. „Już nasza symulacja może tworzyć wzory fałd, które są podobne do tych obserwowanych w eksperymencie, i zapewnia nam znacznie bardziej szczegółowy obraz procesu zgniatania”.
Teraz to jest interesujące
Jak wyjaśnia Andrejevic, wcześniejsze badania dotyczące zgniatania faktycznie pokazują, że im bardziej arkusz jest zgnieciony, tym bardziej jest odporny na dalsze ściskanie, tak że do jego ściśnięcia potrzeba coraz większej siły. „Postawiono hipotezę, że było to wynikiem ułożenia grzbietów i zachowywania się jak filary konstrukcyjne, które nadają pogniecionemu arkuszowi zwiększoną wytrzymałość” – mówi.
