Как материал сминается при сплющивании
Группа исследователей из Иллинойского университета в Чикаго, Сиракузского университета и Пенсильванского университета разработала способ показать, как определенный кусок материала сминается после того, как его сплющили. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Physics, группа описывает эксперименты, которые они проводили с крошечными кусочками пластика.
Сморщивание закрытых раковин. Узоры морщин возникают, когда изначально изогнутые оболочки ограничены плоскостью.
а, б, Моделирование и эксперименты с квадратными вырезами из седла (а) и сферы (б) показывают области строго упорядоченных морщин, наряду с более беспорядочной реакцией в сферическом случае (центральные ромбы в б). Мы представляем крупнозернистую теорию для предсказания типа и расположения таких доменов морщин.
c, Крупнозернистые морщины. Точка (x, p(x)) в исходной оболочке смещена по плоскости на u и за пределы плоскости на высоту w. Крупнозернистые поля ueff и weff = 0 выражают теоретический предел, в котором оболочка имеет бесконечно малую морщинистость и идеально ограничена.
Авторы и права: Физика природы (2022 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01672-2
Предыдущие исследования показали, что трудно понять правила образования складок практически для любого материала — слишком много переменных, чтобы разобраться в этом. В этой новой попытке исследователи стремились понять, как происходит сморщивание одного материала, когда он сминается в контролируемых условиях.
Работа последовала за работой, проделанной Яном Табаско, математиком из Иллинойсского университета в Чикаго. Он разработал теорию, основанную на затратах энергии, связанных с морщинами материала. Чтобы проверить его теории, исследователи сначала создали симуляции реакции материала на подталкивание способами, описанными математическими формулами Табаско. Однако они обнаружили, что смоделированная среда не работает, поэтому они создали реальный сценарий тестирования.
Они помещали тонкие плоские кусочки пластика на изогнутую стеклянную поверхность, а затем вращали их, что делало пластик еще тоньше, поскольку он принимал форму изогнутого стекла. Затем они поместили изогнутые пластиковые детали на влажную поверхность и наблюдали, как натяжение воды заставило пластик сморщиться. Затем они использовали данные о морщинах, которые образовались, для точной настройки симуляций и обнаружили, что многократное повторение этого приводит к созданию правил, описывающих, как появляются и ведут себя морщины.
Исследователи обнаружили, например, что морщины, образующиеся рядами, а не по краям пластыря, зависели от формы куска пластика непосредственно перед образованием морщин. Они также обнаружили, что могут предсказать, где на данном куске пластика появятся морщины , если разделить пластиковую область на множество мелких частей. Они обнаружили, что в таких условиях расчеты Табаско можно использовать для описания типов ряби, которые могут появиться и привести к образованию складок.
