Vozli in vrzeli

Mednarodna raziskovalna skupina v članku, objavljenem v reviji Physical Review Letters, raziskuje obnašanje sistema tankih plošč. Te se pod obremenitvijo upognejo in začnejo pritiskati ena na drugo. Z raziskavo je skupina želela ugotoviti, kako ta sprememba plošč vpliva na togost sistema. Raziskovalna skupina se je problema lotila s statističnim opisom sistema, ki ga je nato poustvarila z eksperimentom, in opazovala spremembe sistema pod različno močnimi obremenitvami.

Zlaganje tankih struktur lahko razumemo kot borbo med prožnostjo materiala, ki se stiskanju upira, in geometrijo, ki sistem plošč omejuje. Primer so lističi na spodnji strani gobjega klobuka; ti se ob sušenju gobe začnejo upogibati v levo ali desno smer. Ko so vsi lističi oziroma plošče ukrivljene v isto smer, je sistem urejen. Zanimivejša so stanja neurejenega zaporedja plošč, ki so bila tudi fokus raziskave. V neurejenem sistemu so plošče ukrivljene v naključne smeri in že pod šibko obremenjenostjo se pojavijo strukture, imenovane vrzeli in vozli. Pri slednjih se plošči stikata, z vrzelmi pa poimenujemo prazen prostor med ploščama. V vozlih oziroma stičiščih plošč vlada ravnovesje sil, ob povečani obremenitvi pa se vozel podre. Okoliške plošče se ukrivijo v isto smer, kar poveča urejenost sistema.

Skupina je spremembe urejenosti tankih plošč preučevala najprej s fizičnim eksperimentom in simulacijo. V škatlo so vpeli mnogo prožnih plošč pravokotne oblike. Škatlo so enakomerno obremenjevali v smeri, vzporedni ploščam, dokler niso vse plošče kazale v isto smer. Tako so sistem peljali od neurejenega do popolnoma urejenega stanja. Poskus so večkrat ponovili, ob tem pa spreminjali dimenzije in debelino plošč ter dimenzije škatle. Opazovali so število nastalih vozlov in vrzeli, oziroma urejenost sistema, glede na obremenitev.

Z eksperimentom so pokazali, da razdalja med ploščami ne vpliva na število nastalih vozlov, kar so potrdili tudi s simulacijo. Prav tako na sistem ni vplivalo, ali so bili razmiki med ploščami enakomerni ali naključni. Na nastalo število vozlov je močno vplivala velikost škatle in debelina vanjo vpetih plošč. S spremembo geometrije škatle in plošč je skupina lahko dosegla, da je sistem prešel v urejeno stanje tako pri šibkem kot pri močnem stiskanju škatle.

Opazili so, da je urejenost plošč odvisna od geometrije škatle in plošč. V bolj neurejenem sistemu najdemo več vozlov, ti pa povečajo togost sistema. Tako lahko sistemu plošč s spreminjanjem geometrije povečamo togost, če v njem vzpostavimo vozle in vrzeli, oziroma jih podremo, če želimo togost zmanjšati. Tako lahko z obliko sistema prilagajamo njegovo upogibanje, kar je uporabno pri razvoju materialov s spremenljivo tógostjo oziroma metamaterialov. Pri slednjih s prilagajanjem njihove notranje strukture ohranjajmo isto obliko pri različnih obremenitvah. Skupina namerava raziskave takšnih sistemov nadaljevati, tokrat s spreminjanjem trenja med ploščami. Predvidevajo, da se v sistemih z visokim trenjem vozli ne morejo podreti, kar onemogoči prehod v urejeno stanje.

Vozle metamaterialov je stiskal vajenec Oskar.

Slika: AmateurNaturalist - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=68875628