Forskere undersøger, hvorfor tøj ikke falder fra hinanden

Bomuldstråd er lavet af mange små fibre, hver kun 2-3 cm lang, men når de er spundet sammen, er fibrene i stand til at overføre spændinger over uendelige lange afstande. Fra et fysikperspektiv, hvordan tråde og garn overfører spændinger – hvilket gør dem stærke nok til at forhindre tøj i at falde fra hinanden – er et langvarigt puslespil, som ikke er helt forstået.

I et nyt blad udgivet i Fysisk gennemgangsbreve med titlen "Hvorfor tøj ikke falder fra hinanden:Spændingstransmission i Staple Yarns, " fysikere Patrick Warren ved Unilever R&D Port Sunlight, Robin Ball ved University of Warwick, og Ray Goldstein ved University of Cambridge har undersøgt garnspænding inden for rammerne af statistisk fysik. Ved at bruge teknikker fra lineær programmering, de viser, at den kollektive friktion mellem fibre skaber en låsemekanisme, og så længe der er tilstrækkelig friktion, en tilfældig samling af fibre kan i princippet overføre en uendelig stor spænding.

Deres resultater giver et kvantitativt grundlag for den heuristiske forklaring foreslået af Galileo i 1638, der undrede sig over problemet med, hvordan et reb kan være så stærkt, når det er lavet af så små fibre. "Selve handlingen med at vride får trådene til at binde hinanden på en sådan måde, at... når rebet strækkes... fibrene knækker i stedet for at skille sig fra hinanden, " skrev han. I moderne termer, Galileo beskrev friktion.

I den nye undersøgelse, forskerne modellerede garnet som en gruppe af tilfældigt overlappende fibre. Resultaterne viste, at efterhånden som friktionen øges, en perkolationsovergang opstår. Som forskerne forklarer, denne overgang svarer til "et skifte fra en 'duktil' fejlmodel, hvor garnet svigter ved fiberglidning... til en 'skørt' fejltilstand, hvor fejlmekanismen er fiberbrud." Over denne tærskel, trækstyrken bliver cirka 100 gange stærkere end tidligere.

"Vi forstår nu bedre på et grundlæggende niveau, hvordan friktion forhindrer fibrøse materialer i at falde fra hinanden, " fortalte Goldstein Phys.org . "Fra et anvendt perspektiv, vi kan bruge indsigten til at understøtte designet af stofbalsam, for eksempel."

I fremtiden, modellen kunne også bruges til at optimere egenskaberne af sytråde lavet af forskellige fiberblandinger. Når den udvides fra fibre til granulære medier, resultaterne kan også have anvendelser til bedre forståelse af spændingsoverførslen i sandbunker og kornsiloer. Ud over, forskerne planlægger at undersøge tærsklen i større dybde.

"Vi planlægger at skrive et længere papir, der udforsker karakteren af ​​den 'superkritiske' tilstand, over perkolationsovergangen, " sagde Goldstein.

© 2018 Phys.org