為什麼衣服要比看起來更結實

credit:銳景創意

棉線是由許多細小的纖維組成的，雖然它們每個只有2-3厘米長，但連結在一起時，它們之間的張力可以無限延長。從物理學的角度來看，它們之所以能如此強韌有力、能防止衣物七零八碎，關鍵就在於如何傳遞了這份張力——這也是個千古難題，人們至今都沒能把它徹底弄個明白。

《物理評論快報》(Physical Review Letters)上一篇題為《衣服為何不會散: 主線的張力》的新論文中，聯合利華(Unilever)研發港口陽光公司(Unilever r & d Port Sunlight)的物理學家帕特里克·沃倫(Patrick Warren)、劍橋大學(University of Cambridge)的雷·戈爾德斯坦(Ray Goldstein)在統計物理學的範疇內對紗線張力進行了研究。他們利用線性規劃技術，證明了纖維間的摩擦產生了某種鎖定機制——只要有足夠的摩擦力，隨機的纖維組合原則上就可以傳遞一個無限大的張力。

此項研究結果為伽利略在1638年提出的一個啟發性思想奠定了定量的基礎，他一直不明白，為什麼小小的纖維竟有如此強的魔力，能把一根繩變得如此結實。他曾寫道：「當我們使勁扭動繩子時，會導致線之間相互纏繞，纖維會斷裂，但卻不會分開。」用現在的話說，他描述的就是摩擦力了。

在這項新的研究中，研究人員用紗線模擬了一組隨機重疊的纖維。結果表明，隨著摩擦的增加，逾滲轉變(在龐大無序系統中，隨著聯結程度，或某種密度、佔據數、濃度的增加或減少到一定程度，系統內突然出現或消失某種長程聯接性，性質發生突變，稱發生了逾滲轉變，或者說發生了尖銳的相變。在轉變點，系統的長程聯接性突然消失或是突然出現，許多重要的物理性質將以「是」或者「否」的方式發生性質上的突變)出現了。研究人員解釋，這相當於是從一種因纖維滑溜性導致紗線失效的「韌性失效模型」轉變到了斷裂機製為纖維斷裂的「脆性失效模型」。在閾值之上，拉伸強度大概是之前的100倍。

戈爾德斯坦告訴 Phys.org："我們現在對於摩擦力是如何阻止纖維材料脫落有了更深層次的理解。從應用的角度來看，我們還可以利用這些理論知識來設計面料調節器。"

以後，我們還可以利用該模型優化由各種纖維混紡而成的縫紉線的性能。甚至對於顆粒介質，這個結論也有用武之地——可以用來研究砂樁和糧倉中的應力傳遞。此外，研究人員計劃更深入地研究這個閾值。

「我們準備寫一篇更長的論文，在逾滲轉變的基礎上探討超臨界狀態的性質。」

本文譯自 phys，由譯者 Imagine 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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