니트와 스트레칭

지진, 로봇 공학, 점퍼의 공통점은 무엇입니까?사무엘 포인클루그 답이 뜨개질에 있는 이유와 니트 소재의 스트레칭이 역학에 어떻게 뿌리를 두고 있는지 설명합니다.

물리학 박사 학위를 취득한 적이 있다면 일반적으로 많은 배경 지식을 공부하고 실험실 장비를 사용하는 방법을 배우고 임시 실험을 수행하는 것으로 시작한다는 것을 알게 될 것입니다. 내 박사 학위는 조금 달랐습니다. 나는 바느질 실력을 향상시키기 위해 유튜브 영상을 보기 시작했다.

내가 파리 고등사범학교에서 수락한 프로젝트는 편직물의 역학에 관한 것이었습니다. 연구는 두 가지 측면을 가지고 있었습니다: 어떤 방정식이 시스템을 설명하는지 결정하기 위한 이론적 측면; 이론을 안내하고 검증하기 위해 실제 니트를 기계적으로 테스트하는 실험적인 것입니다. 문제는 프로젝트를 수락했을 때 니트가 무엇인지 거의 알지 못했다는 것입니다.

저는 니트(예: 점퍼, 스카프, 모자)와 직물(예: 테이블보, 셔츠, 청바지) 사이에 구조적, 기계적 차이가 있다는 사실을 금방 알게 되었습니다. 실제로 이러한 차이점은 입증하기 쉽습니다. 청바지를 잡아당겨 보면 직물이 거의 변형되지 않는 것을 볼 수 있습니다. 대조적으로, 니트 점퍼를 당기면 길이가 최대 2배까지 쉽게 늘어날 수 있습니다. 니트의 신축성은 니트를 무언가에 감싸면 분명하게 드러납니다. 국부적으로 늘려서 니트는 복잡한 모양에 맞을 수 있습니다. 그러나 직물은 그에 맞게 접어야 합니다.

니트와 위브의 차이는 같은 실로 만들어졌더라도 마찬가지입니다. 그 이유는 기계적인 거동을 결정하는 것은 실의 엇갈림 구조이지 소재의 정확한 구성이 아니기 때문입니다. 제가 박사 과정에서 곧 알게 된 바와 같이 직조 직물은 수직으로 얽힌 두 개의 실 묶음으로 만들어집니다(그림 1a). 따라서 직조를 당기는 것은 단일 실을 당기는 것과 크게 다르지 않습니다.

그러나 편직물은 일반적으로 스티치라고 불리는 루프 네트워크 모양의 단일 실로 만들어집니다(그림 1b). 따라서 니트를 당기는 것은 루프를 변형시키는 것과 동일하며 실 자체를 직접 당기는 것이 아닙니다. 이 메커니즘은 서로 다른 인터레이스 구조가 직물의 역학에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 보여줍니다.

나는 동료 연구원들과 내가 니트가 어떻게 변형되는지 궁금해한 최초의 사람들이 아니라는 점을 분명히 해야 합니다. 재미로 뜨개질을 하는 사람은 뜨개질 구조와 역학에 대한 심오하고 경험적인 지식이 필요합니다. 니트에 대한 지식은 의류 부문뿐만 아니라 산업에서도 중요합니다. 예를 들어 비행기, 자동차 또는 기차의 복합재를 강화하는 데 사용할 수 있습니다.

니트 역학에 대한 최초의 연구는 1960년대에 시작되었습니다. 기계 엔지니어로부터 영감을 받은 연구에는 스티치에서 실의 정확한 경로를 모델링하여 이 실이 약간 당겨지면 어떻게 변형되는지 확인하는 작업이 포함되었습니다. 이 작업은 몇 가지 아름다운 방정식을 제공했지만 전체 직물이 아닌 하나의 스티치만을 설명했습니다.

그래픽 커뮤니티에서는 최근 연구를 장려했는데, 이는 이상해 보일 수도 있지만 애니메이션 캐릭터도 적절한 옷을 입어야 합니다. 이 작업은 원사에서 시작하여 전체 니트에 이르는 완전한 수치적 접근 방식(ACM Transactions on Graphics 31 4)으로 이어졌습니다. 이는 매우 현실적인 역학을 제공했지만 직물의 기계적 상수에 대한 분석적 표현을 제공하지 않았으며 구조적 매개변수(예: 스티치 크기)와 재료 매개변수(예: 실의 강성) 간의 상호 작용을 나타내지 않았습니다.

따라서 내 박사 학위는 우리의 이해에 차이가 있는 두 가지 극단 사이를 살펴보는 것과 관련이 있습니다. 저는 전체 직물의 역학을 직접적으로 설명하는 동시에 개별 매개변수의 역할을 정의하는 방정식을 얻을 수 있는지 알아보고 싶었습니다.

답변을 얻으려는 과정에서 초기에 두 가지 주요 문제가 발생했습니다. 첫째, YouTube 튜토리얼과 할머니의 귀중한 조언에도 불구하고 초기 니트는 형편없었고 적절한 테스트에 쓸모가 없었습니다. 두 번째 문제는 가장 표준적인 원사조차도 그 자체로 엄청나게 복잡한 개체이기 때문에 일반적으로 사용되는 니트의 매개변수 수가 엄청나다는 것입니다.