Jak jeden fizyzk odkrywa matematykę robienia na drutach

Fizyk Elisabetta Matsumoto jest zapaloną tkaczką i od dziecka zajmuje się tym hobby. Podczas studiów podyplomowych na Uniwersytecie Pensylwanii w 2009 roku Matsumoto natknął się na niezwykle zawiły ścieg, robiąc na drutach wzór dla japońskiego czerwonego smoka. „Mam książki z tysiącami różnych wzorów ściegów, ale ten na czerwonym smoku była tym, której nigdy nie widziałem” – mówi. To skłoniło ją do myślenia o geometrii ściegów i ostatecznie skłoniło ją do studiowania matematyki robienia na drutach.

Matsumoto mówi, że jest około sto podstawowych ściegów. Zmieniając kombinacje ściegów, dziewiarka może zmienić elastyczność, wytrzymałość mechaniczną i trójwymiarową strukturę powstałej tkaniny. Sama przędza nie jest zbyt elastyczna. Ale gdy jest dziana, z przędzy powstaje materiał, który może rozciągać się na prawie dwukrotność swojej długość, podczas gdy sama przędza ledwo się rozciąga.

Matsumoto, obecnie pracujący w Georgia Institute of Technology w Atlancie, przedstawia matematyczne zasady, które określają, w jaki sposób ściegi nadają tak unikalnym właściwościom tkanin. Ma nadzieję opracować katalog rodzajów ściegów, ich kombinacji i wynikających z nich właściwości materiałów. Twierdzi, że wszyscy tkacze, naukowcy i producenci mogliby skorzystać z tego skorzystać.

Elisabetta Matsumoto, fizyk z Georgia Institute of Technology w Atlancie, ma nadzieję stworzyć “słownik dzianin”, który można by wykorzystać do manipulowania właściwościami fizycznymi materiałów. DZIĘKI UPRZEJMOŚCI ELISABETTA MATSUMOTO

Badania Matsumoto opierają się na teorii węzłów [knot theory], zestawie matematycznych zasad określających sposób formowania się węzłów. Zasady te pomogły wyjaśnić, w jaki sposób DNA składa się i rozwija oraz w jaki sposób skład i rozkład cząsteczki w przestrzeni nadaje jej właściwości fizyczne i chemiczne. Matsumoto wykorzystuje teorię węzłów, aby zrozumieć, w jaki sposób każdy ścieg splata się z sąsiadami. „Rodzaje ściegów, różnice w ich geometrii, a także kolejność, w jakiej są one łączone w tkaninę, mogą decydować o właściwościach [tkaniny]” – mówi.

Dokonywanie drobnych zmian, takich jak zmiana kilku skrzyżowań w węzeł, może mieć ogromny wpływ na mechanikę tkaniny. Na przykład materiał wykonywany tylko jednego z rodzaju ściegu, takiego jak odwrócony ścieg, ma tendencję do zawijania się na krawędziach. Ale połącz dwa rodzaje ściegów w naprzemiennych rzędach lub kolumnach, a tkanina będzie leżeć płasko. I pomimo tego, że wyglądają prawie identycznie, tkaniny mają różny stopień rozciągliwości, poinformowali Matsumoto i doktorant Shashank Markande w lipcu na konferencji Bridges 2020 Conference Proceedings.

Zespół Matsumoto trenuje teraz komputer, aby myślał jak dziewiarz. Korzystając z właściwości przędzy, matematycznych szczegółów ściegów i końcowej struktury dzianiny jako danych wejściowych, program może przewidywać właściwości mechaniczne tkanin. Prognozy te mogą kiedyś pomóc w dostosowaniu materiałów do konkretnych zastosowań – od rusztowań do hodowli ludzkich tkanek po inteligentną odzież do noszenia – i być może rozwiążą się zawiłe problemy życia codziennego.

Źródła: Lakshmi Chandrasekaran

S.G. Markande and E. Matsumoto. Knotty knits are tangles in toriBridges 2020 Conference Proceedings. Published online July 2020.

Zdjęcia: LES TRICONAUTES/UNSPLASH

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x