กระดาษแผ่นหนึ่งที่ถูกบดเป็นลูกบอลและโยนลงในถังขยะ ส่วนหน้าของรถเสียรูปจากการชนและเปลือกโลกที่ค่อยๆ ก่อตัวเป็นภูเขาตลอดหลายล้านปีที่มีอะไรเหมือนกัน? พวกเขากำลังผ่านกระบวนการทางกายภาพที่เรียกว่าการย่น ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัสดุที่ค่อนข้างบาง — แผ่นหนึ่งที่มีความหนาน้อยกว่าความยาวหรือความกว้างมาก — ต้องพอดีกับพื้นที่ที่เล็กกว่า
และในขณะที่มันง่ายที่จะจินตนาการว่าการยู่ยี่เป็นเพียงความโกลาหลที่น่าสยดสยอง นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเรื่องการยู่ยี่ได้ค้นพบว่ามันไม่ใช่แค่นั้น ในทางตรงกันข้าม การยู่ยี่กลายเป็นกระบวนการที่คาดเดาได้และทำซ้ำได้ซึ่งควบคุมโดยคณิตศาสตร์ ความก้าวหน้าครั้งล่าสุดในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการขยำคือบทความ ที่ ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ใน Nature Communications ซึ่งนักวิจัยได้อธิบายแบบจำลองทางกายภาพของสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแผ่นบาง ๆ ยับยู่ยี่ คลี่ออก และยับยู่ยี่
คริสโตเฟอร์ ไรครอ ฟต์ ผู้เขียนบทความที่เกี่ยวข้องกล่าวว่า "ตั้งแต่อายุยังน้อย ทุกคนคุ้นเคยกับการย่นกระดาษให้เป็นลูกบอล คลี่ออก และมองดูเครือข่ายที่ซับซ้อนของรอยยับที่ก่อ ตัวขึ้น เขาเป็นรองศาสตราจารย์ใน John Al Paulson School of Engineering and Applied Sciences ที่ Harvard University และเป็นหัวหน้ากลุ่ม Rycroftสำหรับการคำนวณทางวิทยาศาสตร์และการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ "บนพื้นผิวนี้ดูเหมือนเป็นกระบวนการสุ่มๆ ที่ไม่เป็นระเบียบ และคุณอาจคิดว่ามันเป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาได้เลยว่าจะเกิดอะไรขึ้น"
"สมมติว่าตอนนี้คุณทำซ้ำขั้นตอนนี้ ยู่ยี่กระดาษอีกครั้งแล้วคลี่ออก คุณจะมีรอยยับมากขึ้น" Rycroft เขียนในอีเมล "อย่างไรก็ตาม คุณจะไม่เพิ่มจำนวนเป็นสองเท่า เพราะรอยพับที่มีอยู่ทำให้แผ่นอ่อนลงแล้ว และอนุญาตให้พับได้ง่ายขึ้นในครั้งที่สอง"
ความยาวรวมของรอยยับ = "ระยะทาง"
แนวคิดดังกล่าวเป็นพื้นฐานของการทดลองที่ทำขึ้นเมื่อหลายปีก่อนโดยผู้เขียนบทความอีกคน คือShmuel M. Rubinstein อดีตนักฟิสิกส์ของ Harvard ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยฮิบรูแห่งเยรูซาเลมและนักเรียนของเขา ตามที่ Rycroft อธิบาย Rubenstein และทีมงานของเขาขยำแผ่นบางๆ ซ้ำๆ และวัดความยาวทั้งหมดของรอยพับบนแผ่น ซึ่งพวกเขาเรียกว่า "ระยะทาง" งานวิจัยดังกล่าวได้อธิบายไว้ในเอกสารฉบับปี 2018นี้
Rycroft กล่าวว่า "พวกเขาพบว่าการเติบโตของระยะทางสามารถทำซ้ำได้อย่างยอดเยี่ยม และทุกครั้งที่การสะสมไมล์ใหม่จะลดลงเล็กน้อย เนื่องจากแผ่นงานเริ่มอ่อนลงเรื่อยๆ"
การค้นพบดังกล่าวทำให้ชุมชนฟิสิกส์ต้องชะงักงัน และJovana A Andrejevic ผู้สมัครระดับปริญญาเอกของ Rycroft และ Harvard ต้องการทำความเข้าใจว่าทำไมการยู่ยี่จึงมีพฤติกรรมแบบนั้น
"เราพบว่าหนทางที่จะทำให้คืบหน้าไม่ได้มุ่งความสนใจไปที่รอยพับเอง แต่ให้มองที่ด้านที่ไม่เสียหายซึ่งร่างโดยรอยพับ" Rycroft กล่าว
"ในการทดลอง Mylar แผ่นบาง ๆ ซึ่งเป็นฟิล์มบาง ๆ ที่ยับยู่ยี่คล้ายกับกระดาษ ถูกขยำอย่างเป็นระบบหลายครั้ง ทำให้เกิดรอยพับใหม่ๆ ทุกครั้งที่ทำซ้ำแต่ละครั้ง" Andrejevic ผู้เขียนหลักของรายงานปี 2021 อธิบายผ่านอีเมล "ระหว่างรอยพับ แผ่นต่างๆ จะถูกแบนอย่างระมัดระวัง และโปรไฟล์ส่วนสูงของพวกมันถูกสแกนโดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่าโพรฟิโลมิเตอร์ โพรฟิโลมิเตอร์จะทำการวัดแผนที่ความสูงตามพื้นผิวของแผ่นงาน ซึ่งช่วยให้เราคำนวณและเห็นภาพตำแหน่งของรอยพับเป็น ภาพ."
เนื่องจากรอยพับอาจดูยุ่งเหยิงและไม่สม่ำเสมอ จึงสร้างข้อมูลที่ "มีเสียงดัง" ซึ่งอาจทำให้ระบบอัตโนมัติของคอมพิวเตอร์เข้าใจได้ยาก เพื่อแก้ไขปัญหานั้น Andrejevic ได้แกะรอยรอยพับบนกระดาษ 24 แผ่นด้วยมือโดยใช้แท็บเล็ตพีซี Adobe Illustrator และ Photoshop นั่นหมายถึงการบันทึกทั้งหมด 21,110 แง่มุมตามรายละเอียดบทความล่าสุดของ New York Times
ต้องขอบคุณการทำงานและการวิเคราะห์ภาพของ Andrejevic "เราสามารถดูการกระจายของขนาดด้านในขณะที่การยู่ยี่คืบหน้า" Rycroft อธิบาย พวกเขาพบว่าการแจกแจงขนาดสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีการกระจายตัว ซึ่งจะพิจารณาว่าวัตถุต่างๆ ตั้งแต่หิน เศษแก้ว และเศษภูเขาไฟแตกตัวเป็นชิ้นเล็กๆ เมื่อเวลาผ่านไปอย่างไร (นี่เป็นบทความ ล่าสุด จาก Journal of Glaciology ที่ใช้กับภูเขาน้ำแข็ง)
Rycroft กล่าวว่าทฤษฎีเดียวกันนี้สามารถอธิบายได้อย่างถูกต้องว่าแง่มุมของแผ่นยู่ยี่จะสลายเมื่อเวลาผ่านไปได้อย่างไร "เรายังสามารถใช้มันเพื่อประเมินว่าแผ่นงานจะอ่อนลงหลังจากยู่ยี่ได้อย่างไร และด้วยเหตุนี้จึงอธิบายได้ว่าการสะสมไมล์ช้าลงอย่างไร ซึ่งช่วยให้เราอธิบายผลลัพธ์ของระยะทางและมาตราส่วนลอการิทึมที่พบในการศึกษาปี 2018 ได้ เรา เชื่อว่าทฤษฎีการกระจายตัวให้มุมมองเกี่ยวกับปัญหา และมีประโยชน์อย่างยิ่งในการสร้างแบบจำลองการสะสมของความเสียหายเมื่อเวลาผ่านไป" Rycroft กล่าว
ทำไมทฤษฎี Crumple ถึงมีความสำคัญ?
การได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการยู่ยี่อาจมีความสำคัญต่อทุกสิ่งในโลกสมัยใหม่ "หากคุณกำลังใช้วัสดุในโครงสร้างใดๆ ก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจคุณสมบัติของความล้มเหลว" Rycroft กล่าว “ในหลาย ๆ สถานการณ์ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าวัสดุจะมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้การโหลดซ้ำ ตัวอย่างเช่น ปีกเครื่องบินสั่นสะเทือนขึ้นและลงหลายพันครั้งตลอดอายุการใช้งาน การศึกษาการขยำซ้ำของเราถือได้ว่าเป็นระบบแบบจำลองสำหรับความเสียหายของวัสดุ ภายใต้ภาระซ้ำๆ เราคาดว่าองค์ประกอบหลักบางอย่างของทฤษฎีของเราเกี่ยวกับวิธีที่วัสดุถูกทำให้อ่อนแอจากการแตกหัก/รอยพับเมื่อเวลาผ่านไป อาจมีสิ่งที่คล้ายคลึงกันในวัสดุประเภทอื่น"
และบางครั้ง การขยำอาจถูกนำมาใช้ในทางเทคโนโลยีได้จริง Rycroft สังเกตว่าแผ่นกราฟีนยู่ยี่ได้รับการแนะนำว่ามีความเป็นไปได้สำหรับการผลิตอิเล็กโทรดที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับแบตเตอรี่ Li-ion นอกจากนี้ ทฤษฎียู่ยี่ยังให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทุกประเภท ตั้งแต่การที่ปีกของแมลงกางออกและวิธีที่ DNA บรรจุลงในนิวเคลียสของเซลล์ ดังที่บทความ ของ New York Times ประจำปี 2018ระบุไว้
เหตุใดวัตถุบางอย่างจึงยู่ยี่ เมื่อเทียบกับการแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย
"กระดาษและวัสดุอื่นๆ ที่ยู่ยี่มีลักษณะเฉพาะที่ยืดหยุ่นและงอได้ง่าย ดังนั้นจึงไม่น่าจะแตกหัก" Andrejevic อธิบาย “อย่างไรก็ตาม วัสดุแข็งอย่างหินหรือแก้วจะไม่โค้งงอง่าย และแตกตัวตามแรงอัด ฉันจะบอกว่าการยุบตัวและการแตกหักเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างชัดเจน แต่ก็มีความคล้ายคลึงกันบางอย่างที่เราจำได้ ตัวอย่างเช่น ทั้งสองแบบยู่ยี่ และการแตกหักเป็นกลไกในการบรรเทาความเครียดในวัสดุ แนวคิดเรื่อง รอยพับปกป้องส่วนอื่นๆ ของแผ่นจากความเสียหาย หมายถึง ความเสียหายที่เกิดเฉพาะบริเวณสันเขาที่แคบมากในแผ่น อันที่จริง จุดยอดแหลมและสันที่ก่อตัวเมื่อแผ่นย่น เป็นบริเวณที่มีการยืดตัวในแผ่นซึ่งไม่เอื้ออำนวยอย่างมาก เป็นผลให้
“แผ่นบางที่ยับยู่ยี่ชอบงอมากกว่ายืด สังเกตว่าเราทำได้ง่ายด้วยกระดาษแผ่นหนึ่ง โดยพยายามงอหรือยืดด้วยมือของเรา ในแง่ของพลังงาน หมายความว่าการดัดจะใช้พลังงานน้อยกว่าการยืดตัวมาก เมื่อแผ่นถูกจำกัดไม่ให้แบนราบอีกต่อไปก็จะเริ่มโค้งงอเพื่อให้สอดคล้องกับปริมาตรที่เปลี่ยนไปแต่เมื่อถึงจุดหนึ่งแล้วจะไม่สามารถใส่แผ่นลงในปริมาตรขนาดเล็กได้โดยการดัดเพียงอย่างเดียว "
เพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับรอยย่น
ยังมีอีกมากที่ต้องเรียนรู้เกี่ยวกับการยู่ยี่ ตัวอย่างเช่น ตามที่ Rycroft ระบุไว้ ไม่ชัดเจนว่าการย่นแบบต่างๆ เช่น การใช้ลูกสูบทรงกระบอก แทนที่จะเป็นมือ ส่งผลให้เกิดรูปแบบรอยพับประเภทต่างๆ หรือไม่ "เราต้องการเข้าใจว่าผลการวิจัยของเราเป็นอย่างไร" เขากล่าว
นอกจากนี้ นักวิจัยต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกที่แท้จริงของการเกิดรอยพับ และเพื่อให้สามารถตรวจวัดได้ในระหว่างกระบวนการ แทนที่จะตรวจสอบผลลัพธ์สุดท้าย
"เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เรากำลังพัฒนาแบบจำลองทางกล 3 มิติของแผ่นยู่ยี่ ซึ่งช่วยให้เราสังเกตกระบวนการทั้งหมดได้" Rycroft กล่าว "แล้ว การจำลองของเราสามารถสร้างรูปแบบรอยพับที่คล้ายกับที่เห็นในการทดลอง และทำให้เรามีมุมมองที่ละเอียดมากขึ้นของกระบวนการยู่ยี่"
ตอนนี้น่าสนใจ
ตามที่ Andrejevic อธิบาย การวิจัยก่อนหน้านี้เกี่ยวกับยู่ยี่จริง ๆ แล้วแสดงให้เห็นว่ายิ่งแผ่นยู่ยี่มากเท่าไหร่ แผ่นก็จะยิ่งต้านทานการบีบอัดที่มากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นต้องใช้แรงมากขึ้นในการบีบอัด "สิ่งนี้ถูกสันนิษฐานว่าเป็นผลมาจากแนวสันเขาที่เรียงตัวกันและทำหน้าที่เหมือนเสาโครงสร้างที่ทำให้แผ่นยู่ยี่มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น" เธอกล่าว
