Ezilip top haline getirilip çöp sepetine atılan bir kağıdın, bir arabanın çarpışma anında deforme olan ön ucunun ve milyonlarca yıl içinde yavaş yavaş dağları oluşturan yerkabuğunun ortak noktası nedir? Hepsi, nispeten ince bir malzeme tabakasının - bir tanesinin kalınlığı uzunluğundan veya genişliğinden çok daha az - daha küçük bir alana sığması gerektiğinde ortaya çıkan, buruşma adı verilen fiziksel bir süreçten geçiyorlar.
Ve buruşmayı yalnızca rastgele bir düzensizlik olarak hayal etmek kolay olsa da, buruşma üzerine çalışan bilim adamları bunun bundan başka bir şey olmadığını keşfettiler. Aksine, buruşma, matematik tarafından yönetilen tahmin edilebilir, tekrarlanabilir bir süreç olarak ortaya çıkıyor. Buruşma anlayışımızdaki en son atılım, Nature Communications'da yakın zamanda yayınlanan ve araştırmacıların ince tabakalar buruşturulduğunda, açıldığında ve yeniden buruşturulduğunda ne olduğuna dair fiziksel bir model tanımladığı bir makaledir .
Gazetenin ilgili yazarı Christopher Rycroft , "Küçük yaşlardan itibaren herkes bir kağıdı buruşturup top haline getirmeye, onu açmaya ve oluşan karmaşık kırışık ağına bakmaya aşinadır" diye açıklıyor . Harvard Üniversitesi'ndeki John Al Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'nda doçent ve bilimsel hesaplama ve matematiksel modelleme için Rycroft Group'un başkanıdır. "Yüzeyde bu rastgele, düzensiz bir süreç gibi görünüyor ve ne olduğu hakkında herhangi bir şey tahmin etmenin zor olduğunu düşünebilirsiniz."
Rycroft bir e-postada "Şimdi bu işlemi tekrarladığınızı, kağıdı tekrar buruşturduğunuzu ve açtığınızı varsayalım. Daha fazla kırışık alacaksınız" diye yazıyor. "Ancak, sayıyı ikiye katlamayacaksınız, çünkü mevcut kırışıklıklar zaten tabakayı zayıflattı ve ikinci seferde daha kolay katlanmasına izin verdi."
Toplam Kırışık Uzunluğu = "Kilometre"
Bu fikir, makalenin yazarlarından bir diğeri , şu anda Kudüs İbrani Üniversitesi'nde olan eski Harvard fizikçisi Shmuel M. Rubinstein ve öğrencileri tarafından birkaç yıl önce gerçekleştirilen deneylerin temelini oluşturdu . Rycroft'un açıkladığı gibi, Rubenstein ve ekibi tekrar tekrar ince bir tabakayı buruşturdu ve "kilometre" olarak adlandırdıkları tabakadaki toplam kırışık uzunluğunu ölçtüler. Bu araştırma, bu 2018 makalesinde açıklanmıştır .
Rycroft, "Kilometre artışının çarpıcı bir şekilde tekrarlanabilir olduğunu ve her seferinde yeni kilometre tahakkukunun biraz daha az olacağını keşfettiler, çünkü tabaka giderek zayıflıyor" diyor.
Bu bulgu fizik camiasını şaşkına çevirdi ve Rycroft ve Harvard doktora adayı Jovana A Andrejevic buruşmanın neden böyle davrandığını anlamak istedi.
Rycroft, "İlerleme sağlamanın yolunun kırışıklıkların kendilerine odaklanmak değil, kırışıklıkların ana hatlarını çizdiği hasarsız yönlere bakmak olduğunu bulduk" diyor.
2021 makalesinin baş yazarı Andrejevic, "Deneyde, kağıda benzer şekilde buruşabilen ince bir film olan Mylar'ın ince tabakaları sistematik olarak birkaç kez buruştu ve her tekrarda bazı yeni kırışıklıklar geliştirdi" diye açıklıyor e-posta. "Kıvrılmalar arasında, tabakalar dikkatlice düzleştirildi ve profilometre adı verilen bir alet kullanılarak yükseklik profilleri tarandı. Profilometre, tabakanın yüzeyi boyunca yükseklik haritasının ölçümlerini yapıyor, bu da bize kırışıklıkların yerlerini hesaplayıp görselleştirmemizi sağlıyor. görüntü."
Kırma, dağınık ve düzensiz olabileceğinden, bilgisayar otomasyonunun anlamlandırması zor olabilecek "gürültülü" veriler üretir. Andrejevic bu sorunu aşmak için bir tablet PC, Adobe Illustrator ve Photoshop kullanarak 24 sayfadaki kırışık desenlerini elle takip etti. Bu, New York Times'ın bu son makalesinde detaylandırıldığı gibi, toplamda 21.110 yönün kaydedilmesi anlamına geliyordu .
Andrejevic'in çalışmaları ve görüntü analizi sayesinde, "buruşma ilerledikçe faset boyutlarının dağılımlarına bakabildik," diye açıklıyor Rycroft. Boyut dağılımlarının, kayalardan, cam kırıklarından ve volkanik döküntülerden oluşan nesnelerin zaman içinde nasıl küçük parçalara ayrıldığına bakan parçalanma teorisi ile açıklanabileceğini buldular. ( Buzdağlarına uygulayan Journal of Glaciology'den yeni bir makale .)
Rycroft, "Aynı teori, buruşuk tabakanın yüzlerinin zamanla nasıl kırıştığını doğru bir şekilde açıklayabilir" diyor Rycroft. "Bunu, buruşmadan sonra sacın nasıl zayıfladığını tahmin etmek ve böylece kilometre birikiminin nasıl yavaşladığını açıklamak için de kullanabiliriz. Bu , 2018 çalışmasında görülen kilometre sonuçlarını ve logaritmik ölçeklendirmeyi açıklamamızı sağlar. Parçalanma teorisinin soruna bir bakış açısı sağladığına ve özellikle zaman içindeki hasar birikimini modellemek için yararlı olduğuna inanıyorum" diyor Rycroft.
Crumple Teorisi Neden Önemlidir?
Buruşma hakkında bilgi edinmek, modern dünyadaki her türlü şey için potansiyel olarak gerçekten önemlidir. Rycroft, "Herhangi bir yapısal kapasitede bir malzeme kullanıyorsanız, onun arıza özelliklerini anlamak çok önemlidir" diyor. "Birçok durumda, malzemelerin tekrarlanan yükleme altında nasıl davranacağını anlamak önemlidir. Örneğin, uçak kanatları ömürleri boyunca binlerce kez yukarı ve aşağı titrer. Tekrarlanan buruşma çalışmamız, malzemelerin nasıl hasar gördüğüne dair model sistem olarak görülebilir. Tekrarlanan yük altında Malzemelerin zaman içinde kırılmalar/kırışıklıklar nedeniyle nasıl zayıfladığıyla ilgili teorimizin bazı temel unsurlarının diğer malzeme türlerinde benzerleri olabileceğini umuyoruz."
Ve bazen, buruşturma aslında teknolojik olarak kullanılabilir. Rycroft, örneğin buruşuk grafen levhaların Li-ion piller için yüksek performanslı elektrotlar yapma olasılığı olarak önerildiğini belirtiyor. Ek olarak, buruşma teorisi, bu 2018 New York Times makalesinde belirtildiği gibi, böceklerin kanatlarının nasıl açıldığına ve DNA'nın bir hücre çekirdeğine nasıl paketlendiğine kadar her türlü fenomen hakkında bilgi sağlar .
Neden bazı nesneler çok sayıda küçük parçaya ayrılmak yerine buruşuyor?
Andrejevic, "Kıvrılan kağıt ve diğer malzemeler karakteristik olarak esnektir ve bükülmesi kolaydır, bu nedenle kırılmaları olası değildir," diye açıklıyor. "Ancak, kaya veya cam gibi sert malzemeler kolayca bükülmezler ve dolayısıyla bir sıkıştırma kuvvetine tepki olarak kırılırlar. Buruşma ve kırılmanın oldukça farklı süreçler olduğunu söyleyebilirim, ancak bazı benzerlikler görebiliriz. Örneğin, hem buruşma hem de buruşma ve kırılma, bir malzemedeki stresi giderme mekanizmalarıdır.Bir yaprağın diğer bölgelerini hasardan koruyan kırışıklar fikri, hasarın levhadaki çok dar sırtlara lokalize olması anlamına gelir.Aslında, bir levha buruştuğunda oluşan keskin köşeler ve çıkıntılar tabakada enerjik olarak elverişsiz olan lokalize esneme bölgeleridir.
"Kıvrılan ince levhalar, germek yerine bükmeyi tercih ediyor, bir yaprak kağıda ellerimizle bükmeye veya esnetmeye çalışarak kolayca yapabileceğimiz bir gözlem. Enerji açısından bu, bükmenin gerdirmekten çok daha az enerjiye mal olduğu anlamına gelir. Bir levha artık düz duramayacak şekilde hapsedildiğinde, değişen hacme uyum sağlamak için bükülmeye başlayacaktır, ancak bir noktadan sonra levhayı tek başına bükmekle küçük bir hacme sığdırmak imkansız hale gelir. "
Kırışıklıkların Anlaşılmasını Artırma
Buruşma hakkında hala öğrenilmesi gereken çok şey var. Örneğin, Rycroft'un belirttiği gibi, örneğin eliniz yerine silindirik bir piston kullanarak farklı buruşma türlerinin farklı bir kırışık deseniyle sonuçlanıp sonuçlanmadığı açık değildir. "Bulgularımızın ne kadar genel olduğunu anlamak istiyoruz" diyor.
Ek olarak, araştırmacılar, kırışıkların nasıl oluştuğunun gerçek mekaniği hakkında daha fazla bilgi edinmek ve sadece sonucu incelemek yerine işlem sırasında ölçüm yapabilmek istiyor.
Rycroft, "Bunun üstesinden gelmek için şu anda buruşuk bir tabakanın 3D mekanik simülasyonunu geliştiriyoruz, bu da tüm süreci gözlemlememize izin verebilir" diyor. "Zaten simülasyonumuz, deneyde görülenlere benzer kırışık desenleri oluşturabilir ve bize buruşma sürecinin çok daha ayrıntılı bir görünümünü sunar."
Şimdi Bu İlginç
Andrejeviç'in açıkladığı gibi, buruşma üzerine daha önce yapılan araştırmalar aslında bir levha ne kadar çok buruşursa, daha fazla sıkıştırmaya o kadar fazla direnç gösterdiğini ve dolayısıyla onu sıkıştırmak için giderek daha fazla kuvvet gerektiğini gösteriyor. "Bunun, sıralanan ve buruşuk tabakaya artan gücünü veren yapısal sütunlar gibi davranan sırtların bir sonucu olduğu varsayıldı" diyor.
