Bomullstråd är gjord av många små fibrer, var och en bara 2-3 cm lång, men när de snurras ihop kan fibrerna överföra spänning över obestämd långa sträckor. Ur ett fysikperspektiv, hur trådar och garn överför spänningar-vilket gör dem tillräckligt starka för att kläder inte ska falla sönder-är ett långvarigt pussel som inte är helt förstått.

I en ny artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev med rubriken "Varför kläder inte går sönder:spänningsöverföring i häftgarn, "fysiker Patrick Warren vid Unilever R&D Port Sunlight, Robin Ball vid University of Warwick, och Ray Goldstein vid University of Cambridge har undersökt garnspänningar inom ramen för statistisk fysik. Med hjälp av tekniker från linjär programmering, de visar att den kollektiva friktionen bland fibrer skapar en låsmekanism, och så länge det finns tillräcklig friktion, en slumpmässig sammansättning av fibrer kan i princip överföra en obestämd stor spänning.

Deras resultat ger en kvantitativ grund för den heuristiska förklaring som Galileo föreslog 1638, som undrade över problemet med hur ett rep kan vara så starkt när det är gjort av så små fibrer. "Själva vridningen får trådarna att binda varandra på ett sådant sätt att ... när repet sträcks ... fibrerna går sönder snarare än separerar från varandra, "skrev han. I moderna termer, Galileo beskrev friktion.

I den nya studien, forskarna modellerade garnet som en grupp av slumpmässigt överlappande fibrer. Resultaten visade att när friktionen ökar, en perkoleringsövergång dyker upp. Som forskarna förklarar, denna övergång motsvarar "en övergång från en" duktil "felmodell där garnet misslyckas genom fiberglidning ... till ett" sprött "felläge där felmekanismen är fiberbrott." Över denna tröskel, draghållfastheten blir ungefär 100 gånger starkare än tidigare.

"Vi förstår nu bättre på en grundläggande nivå hur friktion hindrar fibrösa material från att falla isär, "Berättade Goldstein Phys.org . "Ur ett tillämpat perspektiv, vi kan använda insikterna för att underbygga utformningen av tygbalsam, till exempel."

I framtiden, modellen kan också användas för att optimera egenskaperna hos sytrådar av olika fiberblandningar. När den förlängs från fibrer till granulära medier, resultaten kan också ha tillämpningar för att bättre förstå spänningsöverföringen i sandhögar och kornsilos. Dessutom, forskarna planerar att undersöka tröskeln mer djupgående.

"Vi planerar att skriva ett längre papper som utforskar det" superkritiska "tillståndets natur, ovanför perkoleringsövergången, "Sa Goldstein.

© 2018 Phys.org