Ποια είναι η επιστήμη πίσω από το πλέξιμο;

Το πλέξιμο είναι μια στοιχειώδης τεχνολογία/δεξιότητα που υπάρχει εδώ και περισσότερα από χίλια χρόνια. Επιτρέπει τη μηχανική τρισδιάστατων αντικειμένων με επιθυμητή ελαστικότητα. Το θεμελιώδες πλαίσιο κατανόησης των πλεκτών δομών άνοιξε το δρόμο για έξυπνα υφάσματα με βάση το νήμα.

Το πλέξιμο είναι μια αρχαία βιοτεχνία που χρησιμοποιείται σε όλο τον κόσμο, αν και η ακριβής προέλευση είναι άγνωστη. Μερικά από τα παλαιότερα πλεκτά δείγματα χρονολογούνται στον 11ο αιώνα μ.Χ. στην Αίγυπτο και κατασκευάστηκαν από ίνες βαμβακιού και όχι από μαλλί. Η διαδικασία του πλεξίματος περιλαμβάνει βασικά τη συνεχή διασύνδεση των βρόχων του νήματος με τη βοήθεια βελόνων.

Πιο πρόσφατα, το πλέξιμο βρήκε τον δρόμο του στον ερευνητικό κόσμο, έτσι ώστε οι φυσικοί να μπορέσουν να ξεμπερδέψουν την επιστήμη πίσω από τη μορφή τέχνης. Αυτό που μπορεί να φαίνεται σαν μια αρκετά απλή τεχνική χρήσης βελόνων για τη δημιουργία ενός πλεκτού υφάσματος είναι στην πραγματικότητα μια εφαρμογή της θεωρίας των Κόμβων (μια πτυχή των εξαιρετικά πολύπλοκων μαθηματικών).

Το πλέξιμο μπορεί να βοηθήσει όσους υποφέρουν από άγχος ή κατάθλιψη. Αυτή η χειροτεχνία δρα ως φυσικό αντικαταθλιπτικό. (Φωτογραφία:littlenySTOCK/Shutterstock)

Επιστήμη πλεξίματος

Οι πλέκτριες ξοδεύουν πολύ χρόνο σχεδιάζοντας τα επιθυμητά μοτίβα τους. Είναι μια εντυπωσιακή εργασία να δημιουργήσετε ένα τρισδιάστατο, καλά δομημένο αντικείμενο από μια μονοδιάστατη σειρά νήματος που ταιριάζει σε ένα συγκεκριμένο σχήμα με όλες τις επιθυμητές ιδιότητες. Είτε το πιστεύετε είτε όχι, υπάρχει πολλή βαθιά εμπειρική γνώση και πολύπλοκη μηχανική που εμπλέκεται στο πλέξιμο. Σύμφωνα με έναν κλάδο των μαθηματικών που μελετά τη θεωρία των κόμβων, ένας κόμπος ορίζεται ως ένας μπερδεμένος κύκλος, που περικλείεται με διασταυρώσεις που είναι αδύνατο να ξεμπλέξουμε. Επομένως, μια πλεκτή βελονιά είναι ένα αλληλένδετο δίκτυο slipknots, που επαναλαμβάνονται πλάτη με πλάτη. Ένας απλός βρόχος ενός κύκλου είναι γνωστός ως unknot . Τα πλεκτά υφάσματα που συνθέτουν κασκόλ και κάλτσες παρουσιάζουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες από τα μεμονωμένα νήματα τους. Τα υφάσματα είναι πολύ ελαστικά και ελαστικά — έως περίπου διπλάσιο από το μήκος τους — ενώ το μήκος του νήματος δεν είναι καθόλου ελαστικό.

Σχέδιο πλεξίματος με ραβδώσεις (Φωτογραφία :Pixabay)

Γιατί ένας φυσικός θα ενδιαφερόταν για το πλέξιμο;

Οι φυσικοί προσπαθούν να αποκωδικοποιήσουν αυτή τη διαμόρφωση πλέξης, όπου διαφορετικοί συνδυασμοί πλεκτών και purls ποικίλλουν τον βαθμό ελαστικότητας. Το πλεκτό ύφασμα θεωρείται ένα είδος μεταυλικού (τεχνητά κατασκευασμένο υλικό που αποκτά τις ιδιότητές του από σχεδιασμένες κατασκευές, όχι από το βασικό υλικό), του οποίου η ελαστικότητα είναι μια αναδυόμενη ιδιότητα.

Το πλεκτό ύφασμα είναι μεταϋλικό. Ένα μεμονωμένο νήμα είναι ανελαστικό, αλλά όταν διαμορφώνεται σε κόμπους, η ελαστικότητα αυξάνεται (Προστασία φωτογραφίας:Pixabay)

Η διάταξη των κλώνων του νήματος σε μια ενδιάμεση κλίμακα καθορίζει τα χαρακτηριστικά μακρο-κλίμακας του προκύπτοντος υφάσματος. Η περιοδικότητα των βελονιών με βρόχο επιτυγχάνεται ουσιαστικά με την επανάληψη της ίδιας δομής μονάδας πολλές φορές. Όσον αφορά την πρακτικότητα, αυτή η μαθηματική θεωρία που εμπλέκεται στο πλέξιμο θα μπορούσε να βοηθήσει τους μηχανικούς να αναπτύξουν τεχνητούς ιστούς, ηλεκτρονικά υφάσματα και ακόμη και αεροδυναμικές γραμμές. Όλα αυτά μπορούν να τροποποιηθούν για να απορροφήσουν και τελικά να αποθηκεύσουν την κινητική ενέργεια που παράγεται από τις κινήσεις του υφαντή. Πολλά μαθηματικά και επιστήμη υλικών εμπλέκονται στην κατασκευή υφασμάτων, αν και συνήθως θεωρείται δεδομένο.

Τα υφάσματα πλεξίματος βασίζονται σε διαφορετικά σχέδια πλεξίματος κατασκευασμένα από πλεκτά, κελάρυσμα και τους διάφορους συνδυασμούς τους. Όλα έχουν περιοδική δομή - κάθε κελί μονάδας επαναλαμβάνεται (Photo Credit :prodepran/Shutterstock)

Απόκριση ελαστικότητας

Πολλοί φυσικοί έχουν αρχίσει να εμβαθύνουν στα πολύπλοκα μαθηματικά για να κωδικοποιήσουν τη μηχανική που εμπλέκεται στα σχέδια πλεκτών. Τα γεωμετρικά μοντέλα επικεντρώνονται στη γεωμετρία των βελονιών και στις ιδιότητες διαστάσεων του υφάσματος που προκύπτει. Χειρίζονται την παράμετρο κάθε βελονιάς πριν από τη διασταύρωση των νημάτων. Αντίθετα, τα μηχανικά μοντέλα λαμβάνουν υπόψη τόσο την ελαστικότητα του νήματος όσο και την τοπολογία της δομής του υφάσματος που προκύπτει. Ένα από τα απλούστερα μοντέλα μηχανών πλεξίματος στο σπίτι παίρνει οδηγίες από ένα σετ τρυπών καρτών . Επομένως, καθιερώνεται μια «γλώσσα κωδικοποίησης», παρόμοια με μια γλώσσα που χρησιμοποιείται για πρώιμους υπολογιστές. Τα σχέδια βελονιάς παρέχουν ορισμένους προγραμματιζόμενους κώδικες για τη γεωμετρία και την ελαστικότητα που είναι πιο περίπλοκοι από το δυαδικό σύστημα αριθμών (0 και 1). Η απλότητα του μοντέλου επιτρέπει στους ερευνητές να σχεδιάσουν πλεκτές κατασκευές με ποικίλα σχήματα και ιδιότητες.

Όλα σχετίζονται με δύο βασικούς παράγοντες:την έκταση της ελαστικότητας του νήματος και το μήκος του νήματος. Η κύρια πηγή της ελαστικότητας του υφάσματος προκύπτει από την ελαστικότητα του νήματος και τις περιοδικές βελονιές με βρόχο. Η ελαστική ενέργεια του νήματος εξαρτάται από την ποσότητα της παραμόρφωσης στο πλεκτό. Καθώς το νήμα λυγίζει, τεντώνεται και χάνει μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Καθώς η διάσταση της βελονιάς μικραίνει, η ενέργεια κάμψης αυξάνεται, παρέχοντας μια σχέση μεταξύ της ενέργειας και των παραμέτρων διασύνδεσης. Οι βελονιές δεν συρρικνώνονται, καθώς η διάμετρος του νήματος είναι σταθερή. Ωστόσο, επιβάλλεται ένας περιορισμός όταν το νήμα γίνεται μη εκτατό.

Συμπέρασμα

Η φυσική πίσω από αυτό το απροσδόκητο πεδίο είναι συναρπαστική και χρειάζεται περισσότερη έρευνα για να αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητες του πλεξίματος. Εφαρμόζοντας ένα απλό σύνολο διαφορικών εξισώσεων και αλγορίθμων της θεωρίας των κόμβων, μπορεί κανείς να μελετήσει σε βάθος τη συμπεριφορά του πλεκτού υφάσματος, το οποίο με τη σειρά του θα μπορούσε να τοποθετηθεί σε μηχανές φυσικής για ταινίες ή γραφικά παιχνιδιών υπολογιστή. Η ελαστικότητα των πλεκτών θα μπορούσε επίσης να είναι χρήσιμη για την εύρεση άμεσων εφαρμογών στην αρχιτεκτονική (κατασκευή πρόσθετων - ένα στρώμα τη φορά) και στη μαλακή ρομποτική. Το μόνο που χρειάζεται να κάνουμε είναι να σπάσουμε τον κώδικα… από εκεί, οι δυνατότητες φαίνονται ατελείωτες!