Физики раскрыли секрет прочности вязаных тканей

Бывший участник группы Мацумото Кришма Сингал работает на вязальной машине, создавая образцы тканей для предыдущего исследования. Сингал недавно получила докторскую степень в Технологическом институте Джорджии. Автор: Эллисон Картер

Доцент Школы физики Элизабетта Мацумото раскрывает секреты многовековой практики вязания через эксперименты, модели и симуляции. Её цель? Использовать вязание для прорывов в передовом производстве — включая более экологичные текстильные изделия, носимую электронику и мягкую робототехнику.

Мацумото, которая также является главным исследователем в Международном институте устойчивого развития с узловатыми хироальными метаматериалами (WPI-SKCM2) при Хиросимском университете, стала автором нового исследования, изучающего физику «заклинивания» — явления, когда мягкие или эластичные материалы становятся жёсткими при низком напряжении, но размягчаются при более сильном натяжении.

Исследование под названием «Разбор механизмов, приводящих к заклиниванию вязаных тканей» опубликовано в журнале Physical Review E. В работе также участвовали аспиранты группы Мацумото Сара Гонсалес и Александр Кашин, а также бывший постдок Майкл Дмитриев, который теперь является доцентом в Техасском университете A&M.

Эта работа развивает предыдущие исследования группы, показавшие, что вязаные материалы можно математически «программировать» для предсказуемого поведения. «Эти свойства интуитивно понятны тем, кто вяжет вручную», — говорит Мацумото. — «Но чтобы использовать эти свойства в промышленных масштабах, нам нужно понять их физическую основу. Это новое исследование — ещё один шаг в этом направлении».

Неожиданный поворот

Гонсалес, возглавившая исследование, впервые заинтересовалась заклиниванием во время смежных экспериментов. «Я использовала моделирование, чтобы изучить, как свойства пряжи влияют на поведение вязаных тканей, и заметила странную жёсткую область», — вспоминает она. — «В предыдущих исследованиях мы видели это и в лабораторных экспериментах, что указывало на реальность явления. Я решила изучить его глубже».

После углублённого анализа она поняла, что наблюдает «заклинивание». В вязаных тканях, объясняет Гонсалес, это происходит, когда петли плотно прилегают друг к другу, и ткань сопротивляется растяжению. Хотя явление хорошо известно, его физику изучали в основном на гранулированных системах, таких как снег или песок, а не на тканях.

«В тканях при слабом натяжении реакция удивительно жёсткая, но при увеличении усилия петли перестраиваются, и материал смягчается», — говорит Мацумото. — «В гранулированных системах это немного похоже на лавины. При слабых силах снежный покров твёрдый, но при увеличении наклона сила тяжести превращает его в лавину».

«В тканях это напоминает запутанную цепочку украшения», — добавляет она. — «Если потянуть, она становится жёсткой, но если ослабить узел, цепочка перестраивается и смягчается».

Разгадка физики заклинивания

Команда использовала эксперименты с промышленными вязаными тканями и компьютерные модели, чтобы проанализировать причины заклинивания и способы его контроля. «Мы хотели определить, как свойства пряжи влияют на заклинивание», — объясняет Гонсалес. — «Наша цель — понять механику заклинивания через взаимодействие пряжи в точках контакта петель».

Исследователи обнаружили, что натяжение машины и толщина пряжи играют ключевую роль в степени заклинивания ткани, а сам процесс ведёт себя по-разному в зависимости от направления растяжения.

«При растяжении вдоль рядов жёсткость пряжи вызывает заклинивание ткани. В другом направлении заклинивание обусловлено контактами пряжи», — говорит Гонсалес. — «Мы также показали, что изменение натяжения машины и толщины пряжи по-разному влияет на ткань в разных направлениях».

«Открытие того, что заклинивание работает по-разному в разных направлениях, стало ключевым прорывом», — добавляет она. — «Насколько нам известно, физика этого явления ранее не изучалась».

Современные инновации на основе древней техники

Исследование перекликается с работой центра WPI-SKCM2, который изучает фундаментальные аспекты узлов и хиральности. Центр интересуется классом материалов под названием «узловатые хироальные метаматериалы», которые могут привести к созданию более экологичных материалов.

Например, вязание, использующее хиральные узлы, может помочь создать более эластичные ткани из натуральных материалов. «Часто производители комбинируют полиэстер, хлопок и эластан, чтобы добиться нужной эластичности», — говорит Мацумото. — «Наше исследование показывает, что манипуляции с топологией петель могут дать аналогичный эффект, сократив потребность в нефтесодержащих волокнах и создав более устойчивый текстиль».

«Вязание обладает огромным потенциалом в производстве, но знания обычно передавались интуитивно и из уст в уста», — добавляет она. — «Создавая математические модели, мы надеемся формализовать эти знания для крупномасштабного производства — чтобы использовать многовековой опыт для современных инноваций».

Дополнительная информация: Sarah E. Gonzalez et al, Pulling apart the mechanisms that lead to jammed knitted fabrics, Physical Review E (2025). DOI: 10.1103/g94g-c6tt. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.03940

Источник: Технологический институт Джорджии