Профессор Школы физики Элизабета Мацумото изучает вековую практику вязания с помощью экспериментов, моделей и симуляций. Её цель — использовать вязание для прорывов в передовом производстве, включая более экологичные ткани, носимую электронику и мягкую робототехнику.
Мацумото исследует физику «заклинивания»
Мацумото, главный исследователь в Международном институте устойчивого развития с узлами хиральной метаматерии (WPI-SKCM2) в университете Хиросимы, является автором исследования, посвящённого изучению физики «заклинивания» — явления, когда мягкие или эластичные материалы становятся жёсткими при низком напряжении, но размягчаются при более высоком натяжении.
Исследование опубликовано в Physical Review E
Исследование под названием «Раскрытие механизмов, приводящих к заклиниванию трикотажных тканей», опубликовано в журнале Physical Review E. В работе приняли участие аспиранты группы Мацумото из Технологического института Джорджии Сара Гонсалес и Александр Кашин, а также бывший научный сотрудник Майкл Димитрийев, который сейчас является доцентом в Техасском университете A&M.
Предыдущие исследования группы
Работа основана на предыдущих исследованиях группы, демонстрирующих, что трикотажные материалы можно математически «программировать» для предсказуемого поведения. «Эти свойства интуитивно понятны людям, которые вяжут вручную, — говорит Мацумото, — но чтобы управлять этими свойствами в промышленных условиях, нам нужно понять лежащую в их основе физику. Это новое исследование — ещё один шаг в этом направлении».
Гонсалес изучает заклинивание
Гонсалес, возглавлявшая исследование, впервые заинтересовалась заклиниванием, проводя смежные исследования. «Я использовала модельные симуляции, чтобы охарактеризовать, как различные свойства пряжи влияют на поведение трикотажных тканей, и заметила странную жёсткую область, — вспоминает она. — В наших предыдущих исследованиях мы также наблюдали такое поведение в лабораторных экспериментах, что позволило предположить, что то, что мы видели в симуляциях, является подлинным явлением. Я хотела изучить его подробнее».
Что такое заклинивание в трикотаже?
Изучив тему, Гонсалес поняла, что то, что она видела, называется «заклиниванием». В трикотаже, объясняет Гонсалес, заклинивание происходит, когда стежки плотно прижаты друг к другу, и ткань сопротивляется растяжению. Хотя это хорошо известное явление, его физика в основном исследовалась в гранулированных системах, таких как снег или песок, а не в тканях.
«В тканях, когда вы мягко тянете, реакция на удивление жёсткая, но когда вы начинаете тянуть сильнее, стежки перестраиваются, и материал смягчается», — говорит Мацумото. «В гранулированных системах это немного похоже на то, как работают лавины. При низких силах снежный покров твёрдый, но когда склон крутой, сила тяжести превращает снежный покров в лавину».
«В тканях это немного похоже на клубок в украшениях, — добавляет она. — Если вы потянете за него, он станет довольно жёстким, но если ослабить узел, цепочка может перестроиться, и она станет не такой жёсткой».
Используя комбинацию экспериментов с промышленно изготовленными трикотажными тканями и компьютерными моделями, команда проанализировала, что вызывает заклинивание в тканях и как им управлять. «Мы хотели определить, как различные свойства пряжи влияют на заклинивание, — объясняет Гонсалес. — Наша цель состояла в том, чтобы понять механику заклинивания через взаимодействие пряжи в различных точках контакта в стежках».
Команда обнаружила, что натяжение машины и толщина пряжи играют ключевую роль в том, чтобы сделать ткань более или менее заклинивающей, и что заклинивание ведёт себя по-разному в зависимости от того, в каком направлении растягивается ткань.
«Когда вы растягиваете трикотаж вдоль рядов, жёсткость пряжи вызывает заклинивание ткани, — говорит Гонсалес. — Заклинивание в другом направлении происходит из-за контактов пряжи. Мы также показали, что влияние изменения натяжения машины и толщины пряжи различается в зависимости от направления ткани».
«Обнаружение того, что заклинивание ткани работает по-разному в разных направлениях, стало ключевым озарением, — добавляет она. — Насколько нам известно, физика этого никогда ранее не исследовалась».
Исследование соответствует работе Центра WPI-SKCM2 Мацумото, который занимается изучением фундаментальных аспектов узлов и хиральности. Центр заинтересован в классе материалов, называемых «узловыми хиральными метаматериалами», которые могут привести к созданию более устойчивых материалов.
Например, вязание, в котором используются хиральные узлы, может быть использовано для создания более эластичных тканей из натуральных материалов. «Во многих случаях производители используют пряжи, которые сочетают, например, полиэстер, хлопок и эластан для создания желаемой эластичности, — говорит Мацумото. — Наши исследования показывают, что манипулирование топологией стежков может привести к аналогичной эластичности, снижая потребность в волокнах на основе нефти и создавая более экологичные ткани».
«Вязание может быть чрезвычайно полезным в производстве, но знания обычно передавались через интуицию и из уст в уста, — добавляет она. — Создавая эти математические модели, мы надеемся формализовать эти знания таким образом, чтобы они были доступны для крупномасштабного производства — чтобы мы могли использовать эту вековую интуицию для современных инноваций».
Предоставлено:
Технологический институт Джорджии
jamming‘—a phenomenon when soft or stretchy materials become rigid under low stress but soften under higher tension.”,”The study, \”Pulling Apart the Mechanisms That Lead to Jammed Knitted Fabrics,\” is published in Physical Review E, and also includes Georgia Tech Matsumoto Group graduate students Sarah Gonzalez and Alexander Cachine in addition to former postdoctoral fellow Michael Dimitriyev, who is now an assistant professor at Texas A&M University.”,”The work builds on the group’s previous research demonstrating that knitted materials can be mathematically \”programmed\” to behave in predictable ways. \”These properties are intuitively understood by people who knit by hand,\” Matsumoto says, \”but in order to manipulate and use these behaviors in an industrial setting, we need to understand the physics behind them. This new research is another step in that direction.\””,”Gonzalez, who led the research, first became interested in jamming while conducting adjacent research. \”I was using model simulations to characterize how different yarn properties affect the behavior of knitted fabrics and noticed a strange stiff region,\” she recalls. \”In our previous research, we had also seen this behavior in lab experiments, which suggested that what we were seeing in the simulations was a genuine phenomenon. I wanted to investigate it further.\””,”After digging into the topic, she realized that what she was seeing was called ‘jamming.\” In knits, Gonzalez explains, jamming occurs when stitches are packed tightly together, and the fabric resists stretching. Although it’s a well-known phenomenon, the physics has mostly been investigated in granular systems, like snow or sand, rather than fabrics.”,”\”In fabrics, when you pull softly, the response is surprisingly stiff, but when you start pulling harder and harder, the stitches rearrange, and the material softens,\” Matsumoto says. \”In granular systems, this is a little like how avalanches work. At low forces, the snow pack is solid, but when the slope is steep, the force of gravity liquidizes that snow pack into an avalanche.\””,”\”In fabrics, it is a little like having a tangle in a piece of jewelry,\” she adds. \”If you pull on it, it gets quite stiff, but if you loosen the knot, the chain can reconfigure, and it’s not so stiff.\””,”Using a combination of experiments with industrially knitted fabrics and computer models, the team analyzed what causes jamming in fabrics and how to control it. \”We wanted to determine how different yarn properties impacted jamming,\” Gonzalez explains. \”Our goal was to understand the mechanics of jamming through how yarn interacts at various touchpoints in stitches.\””,”The team found that both machine tension and yarn thickness played a key role in making a fabric more or less jammed, and that jamming behaves differently depending on which direction the fabric is stretched.”,”\”When you stretch a knit along the rows, the stiffness of the yarn causes fabric jamming. Jamming in the other direction is due to yarn contacts,\” says Gonzalez. \”We also showed that the impacts of changing machine tension and yarn thickness differ depending on fabric direction.\””,”\”Discovering that fabric jamming works differently in different directions was a key insight,\” she adds. \”To our knowledge, the physics of this has never been explored before.\””,”The research dovetails with Matsumoto’s WPI-SKCM2 Center work, which involves investigating fundamental aspects of knots and chirality. The Center is interested in a class of materials called \”knotted chiral meta matter\” that could lead to more sustainable materials.”,”For example, knitting—which leverages chiral knots—could be used to create more elastic fabrics from natural materials. \”In many cases, manufacturers use yarns that combine, for example, polyester, cotton, and elastane to create a desired elasticity,\” Matsumoto says. \”Our research suggests that manipulating the topology of the stitches could lead to a similar elasticity, reducing the need for petroleum-based fibers and creating a more sustainable textile.\””,”\”Knitting has the potential to be extremely useful in manufacturing, but knowledge has typically been shared through intuition and word of mouth,\” she adds. \”By creating these mathematical models, we hope to formalize that knowledge in a way that’s accessible for large-scale manufacturing—so we can leverage this centuries-old intuition for modern innovation.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tGeorgia Institute of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник