Utiliser des preuves mathématiques, des expériences et des simulations pour montrer comment un matériau se froisse lorsqu'il est aplati

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Pliage des coquilles confinées. Des motifs de rides se produisent lorsque des coques initialement incurvées sont confinées à proximité d'un plan. a,b, Les simulations et les expériences de découpes carrées d'une selle (a) et d'une sphère (b) montrent des domaines de rides ordonnées de manière robuste, parallèlement à une réponse plus désordonnée dans le cas sphérique (losanges centraux en b). Nous présentons une théorie à gros grains pour prédire le type et la disposition de ces domaines de rides. c, rides à grain grossier. Un point (x, p(x)) dans la coque initiale est déplacé le long du plan de u et hors du plan à une hauteur w. Les champs à gros grains ueff et weff = 0 expriment une limite théorique dans laquelle la coque est infiniment ridée et parfaitement confinée. Crédit :Physique de la nature (2022). DOI :10.1038/s41567-022-01672-2

Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago, de l'Université de Syracuse et de l'Université de Pennsylvanie, a mis au point un moyen de montrer comment un certain morceau de matériau se froisse après avoir été aplati. Dans leur article publié dans la revue Nature Physics , le groupe décrit des expériences qu'ils ont menées avec de minuscules morceaux de plastique.

Des recherches antérieures ont montré qu'il est difficile de comprendre les règles de froissement pour presque tous les matériaux - il y a tout simplement trop de variables impliquées pour les maîtriser. Dans ce nouvel effort, les chercheurs ont cherché à comprendre comment le froissement fonctionne dans un seul matériau lorsqu'il se froisse dans un cadre contrôlable.

Les travaux faisaient suite aux travaux effectués par Ian Tabasco, mathématicien à l'Université de l'Illinois à Chicago. Il a développé une théorie centrée sur les coûts énergétiques impliqués lorsqu'un matériau se froisse. Pour tester ses théories, les chercheurs ont d'abord créé des simulations de réponses matérielles à l'incitation d'une manière décrite par les formules mathématiques de Tabasco. Cependant, ils ont constaté qu'un environnement simulé n'était pas viable, ils ont donc mis en place un scénario de test dans le monde réel.

Ils ont placé des morceaux de plastique minces et plats sur une surface de verre incurvée, puis l'ont fait tourner, ce qui a rendu le plastique encore plus fin en prenant la forme du verre incurvé. Ensuite, ils ont placé les morceaux de plastique incurvés sur une surface humide et ont observé que la tension de l'eau forçait le plastique à se froisser. Ils ont ensuite utilisé les données des rides qui se sont développées pour affiner les simulations et ont constaté que cela entraînait à plusieurs reprises la génération de règles décrivant l'apparition et le comportement des rides.

Les chercheurs ont découvert, par exemple, que les rides se formant en rangées plutôt que sur les bords d'un patch dépendaient de la forme du morceau de plastique juste avant la formation des rides. Ils ont également découvert qu'ils étaient capables de prédire l'endroit où les rides apparaîtraient dans un morceau de plastique donné s'ils divisaient la zone de plastique en plusieurs petites sous-unités. Dans de telles conditions, ils ont découvert que les calculs de Tabasco pouvaient être utilisés pour décrire les types d'ondulations qui apparaîtraient et entraîneraient des plis. + Explorer plus loin