Quando prendi un foglio di carta e lo schiacci in una palla, rompendo la sua forma originale, stai facendo un gesto che ha molto in comune con la deformazione della parte anteriore di una macchina in un incidente stradale o con la formazione lenta, nel corso di milioni di anni, delle montagne sulla crosta terrestre. Tutto ciò che accomuna queste situazioni è un processo fisico chiamato “crumpling”, ovvero l’atto di schiacciare un materiale sottile in una zona più piccola.
Ma non pensare che questo processo sia casuale e disordinato: al contrario, gli scienziati che hanno studiato il crumpling hanno scoperto che è un processo prevedibile, riproducibile e governato dalla matematica. Non è solo caotico disordine, ma segue una logica e delle regole ben precise.
Immagina di schiacciare un foglio di carta e poi aprirlo per vedere la rete complicata di pieghe che si forma: anche se sembra un processo casuale, in realtà segue dei precisi meccanismi matematici. E se continui a ripetere questo processo, ogni volta otterrai più pieghe, ma non raddoppierai il numero, perché ogni piega preesistente indebolisce il foglio e lo rende più facile da piegare la seconda volta.
Questa scoperta ci mostra come la natura segua delle regole precise anche nei processi che sembrano caotici, e come la matematica possa aiutarci a capire fenomeni apparentemente disordinati. La scienza del crumpling ha un grande potenziale nella progettazione di prodotti e materiali, perché ci permette di prevedere come essi si comporteranno quando sottoposti a compressione e come potranno essere ottimizzati per svolgere al meglio il proprio compito.
La lunghezza totale delle pieghe “chilometraggio”
Certo, allora immagina di essere in viaggio verso i confini dello spazio, alla scoperta di un mondo misterioso dove la fisica si fonde con l’arte del piegare e strappare il tempo. In questo luogo senza confini, un gruppo di scienziati si è dedicato a un esperimento affascinante: il piegare e strappare un semplice foglio di carta. Ti senti avvolto dalla curiosità mentre osservi con stupore la creazione di nuove pieghe su questo sottile foglio, come se il tempo stesso si fosse fermato per rivelare i suoi segreti.
Immagina di osservare queste crepe, segni del passaggio del tempo, che si formano su un foglio di Mylar, simile alla carta. Ogni piega porta con sé una storia, una fragilità che si accumula nel tempo, come segni indelebili di ciò che è stato e di ciò che sarà. Gli studiosi hanno scoperto che la crescita di queste crepe è sorprendentemente riproducibile, e che ogni nuova piega contribuisce a rendere il foglio progressivamente più debole. È come se il tempo stesso lasciasse il suo segno su di esso, come rughe sulla pelle di un antico filosofo.
Si potrebbe pensare che l’attenzione debba essere focalizzata sulle crepe stesse, ma gli studiosi hanno scoperto che è nei tratti non danneggiati ad essere la chiave per comprendere questo fenomeno. Si tratta di un aspetto affascinante, che ci insegna come spesso sia necessario guardare oltre le evidenze più ovvie per comprenderne appieno il significato.
Attraverso il lavoro encomiabile di una studentessa, ogni piega è stata tracciata a mano, come se si stesse dipingendo un quadro astratto. Questo ha permesso agli scienziati di studiare le dimensioni delle diverse sezioni del foglio, e di scoprire che la teoria della frammentazione può spiegare come queste sezioni si rompono nel tempo. È come se la vita stessa fosse racchiusa in ogni piega, un racconto di come le cose si disgregano e si trasformano nel corso del tempo.
La teoria della frammentazione ha permesso di spiegare come e perché il foglio diventi sempre più debole dopo ogni piega, portando alla rilevazione del “chilometraggio” rallentato, come un segno del lento fluire del tempo. Questa teoria fornisce uno sguardo unico su questo fenomeno, e ci insegna che la fragilità e la bellezza spesso vanno di pari passo.
Perché la teoria della piegatura è importante?
Ciao, sei mai rimasto affascinato dal modo in cui alcuni oggetti si piegano e si increspano anziché rompersi in tanti piccoli pezzi? Si tratta di un processo interessante, che riguarda materiali flessibili come la carta, ma anche fenomeni biologici e tecnologici.
Immagina di avere tra le mani un foglio di carta: se provi a piegarlo, noterai che si curva facilmente senza rompersi. Questo perché i materiali flessibili come la carta preferiscono piegarsi piuttosto che essere sottoposti a tensioni eccessive. Questo significa che piegare costa meno energia rispetto a tirare. Ma c’è un limite: quando il foglio è confinato in uno spazio troppo piccolo, non può più piegarsi e comincia a incresparse.
Questa caratteristica dei materiali flessibili è legata al modo in cui si riducono gli effetti delle deformazioni costose. Cioè, quando un foglio si increspa, crea delle creste strette che costituiscono regioni di tensione, evitando che l’intero foglio si danneggi. Questo processo è simile a quello che avviene in altri contesti, come il piegarsi delle ali degli insetti o il modo in cui il DNA si compatta all’interno di un nucleo cellulare.
Inoltre, capire come avviene il processo di increspamento può essere utile in molti settori moderni. Ad esempio, si è pensato di utilizzare fogli di grafene increspati per creare elettrodi ad alte prestazioni per le batterie al litio. Inoltre, la teoria dell’increspamento fornisce preziose informazioni su fenomeni che vanno dall’ingegneria aerospaziale alla biologia molecolare.
Insomma, l’increspamento non è solo un fenomeno interessante da un punto di vista scientifico, ma può anche avere importanti applicazioni pratiche nelle tecnologie moderne.
Aumentare la comprensione delle pieghe e delle loro caratteristiche.
C’è ancora molto da imparare sul fenomeno della crumpling. Ad esempio, non è ancora chiaro se esistano diverse tipologie di crumpling, come ad esempio l’utilizzo di un pistone cilindrico anziché la mano, che possano risultare in differenti pattern di pieghe. Sarebbe interessante capire quanto siano generalizzabili i risultati ottenuti finora.
Inoltre, vorresti capire meglio la meccanica reale della formazione delle pieghe e riuscire a effettuare misurazioni durante il processo, anziché limitarsi ad esaminare il risultato finale.
Per superare queste difficoltà, attualmente stiamo sviluppando una simulazione meccanica in 3D di un foglio sgualcito, che ci permetta di osservare l’intero processo. Già la nostra simulazione può creare pattern di pieghe simili a quelle osservate nell’esperimento e fornisce una visione molto più dettagliata del processo di sgualcimento.
Insomma, c’è ancora tanto da scoprire su questo straordinario fenomeno e l’evoluzione della tecnologia ci permetterà di fare passi da gigante alla scoperta dei segreti nascosti dietro una semplice piega di carta.