Por ejemplo, si se enrolla un trozo de papel en forma de cilindro hueco y luego se intenta devolver el papel a su forma original, plana, naturalmente rodará hacia el cilindro cuando se suelte. ¿Por qué una superficie originalmente plana, al ser cambiada para poseer dos curvas, rodaría?
¡Gran pregunta!
En primer lugar, quiero señalar que no todas las superficies planas están representadas por una hoja de papel. Las láminas de goma planas, por ejemplo, si se enrollan, suelen desenrollarse de nuevo.
La respuesta estará en la comprensión de las fuerzas a nivel molecular. El caucho está formado por cadenas poliméricas enrolladas. Se pueden distorsionar esas cadenas tirando, empujando, enrollando, etc., pero cuando se elimina la fuerza de distorsión, las cadenas de polímero probablemente volverán a su forma enrollada, y el caucho a la forma con la que empezó siempre que se mantenga dentro de lo que se denomina la región viscoelástica lineal del material, donde la tensión y la deformación están relacionadas linealmente . Si se sale de la región viscoelástica lineal, se suele inducir una deformación plástica en un sólido (tensión > "límite elástico" ). La capacidad de flexibilidad del caucho es una de las propiedades que lo hacen útil. La mayoría de los materiales tienen una combinación de respuestas elásticas y viscosas a las tensiones o deformaciones aplicadas.
[Como se menciona en un comentario más abajo, el caucho puede soportar grandes deformaciones y volver a su forma original. Sin embargo, también existe el fenómeno de "conjunto de compresión" que se produce con los cauchos/elastómeros por debajo de su límite elástico. Como en la mayoría de los comportamientos viscoelásticos, el tiempo bajo tensión puede influir en ambas respuestas].
Para pasar al papel, primero hay que entender qué es. Wikipedia le dice a nosotros:
El papel es un material en hojas finas que se produce mediante el procesamiento mecánico y/o químico de fibras de celulosa derivadas de la madera, trapos, hierbas u otras fuentes vegetales en agua, escurriendo el agua a través de una malla fina y dejando la fibra distribuida uniformemente en la superficie, seguido de un prensado y secado.
Así, el papel es un conjunto de fibras unidas por fuerzas moleculares. Es interesante que todavía no tengamos una imagen completa de las fuerzas que mantienen unidas a estas fibras, como este reciente (2013) papel indica:
Se ha sugerido que hay varios mecanismos que desempeñan un papel importante en la formación de los enlaces entre fibras que dan lugar a la red de fibras que llamamos papel. En el pasado, se consideraron los siguientes mecanismos de unión posibles: enlaces de hidrógeno, enclavamiento mecánico, interacciones electrostáticas, interdifusión de moléculas de celulosa y fuerzas de Van der Waals. Más recientemente, se han discutido las microcompresiones, los puentes capilares y la tensión debida al proceso de secado. Lo que está claro es que todos estos mecanismos contribuyen de alguna manera a unir dos fibras de celulosa. Sin embargo, todavía no está claro cuál de estos mecanismos domina o si es relevante una interacción de varios mecanismos.
Cuando se estudia la respuesta viscoelástica de los materiales, existe una prueba denominada ensayo de fluencia/recuperación. En este ensayo se aplica una fuerza (o tensión) constante y se controla la deformación (o respuesta) del material. Por lo general, se produce una gran deformación inicial seguida de una "fluencia" del material. Es como sentarse en un sofá. Primero se produce una gran deformación del cojín y luego se deprime lentamente (se hunde más en el sofá) con el tiempo. De nuevo, si te mantienes en la región viscoelástica lineal del material, cuando se elimine la tensión (te levantas del sofá), el material "recuperará" su forma. Si no permanece en la región viscoelástica lineal, habrá una deformación permanente en el material.
Este es el aspecto de una prueba de fluencia/recuperación (con tensión permanente inducida):
Referencia: R. D. Gustafson, A. L. McGaughey, W. Ding, S. C. McVety y A. E. Childress, "Morphological changes and creep recovery behavior of expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) membranes used for membrane distillation", <a href="https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.04.068" rel="nofollow noreferrer">J. Membr. Sci <strong>584 </strong>(2019) 236-245 </a>.
Así que con el papel, yo diría que es fácil entrar en la región de deformación plástica al enrollarlo, aunque creo que también depende de lo apretado que lo enrolles. Básicamente estás realizando una prueba de fluencia/recuperación . Si lo enrollas con fuerza y lo mantienes durante un largo periodo de tiempo, obtendrás menos recuperación, que si lo enrollas ligeramente y lo sueltas inmediatamente. Y la estructura del papel a nivel microscópico hace que sea fácil que se deforme de esta manera. (Mucho más difícil es hacer una prueba de fluencia/recuperación con las manos y entrar en la región de distorsión del plástico tirando a lo largo de la dirección plana del papel).
Espero que esto ayude.
¿Esto es diferente de que la chapa se mantenga enrollada o se mueva hacia atrás cuando se enrolla? Porque se habla de viscosidad y fluencia que no he oído hablar realmente en el metal.
Hola @DKNguyen. Estoy más familiarizado con la fluencia en polímeros y elastómeros, pero encontré esto para los metales: iopscience.iop.org/article/10.1088/0508-3443/4/8/301/pdf .
Gran respuesta, pero, "si se sale de la región viscoelástica lineal" - no creo que el lineal parte es tan relevante aquí. El caucho deja pronto de cumplir la ley de Hooke cuando las deformaciones no son infinitesimales, pero vuelve a su forma original incluso después de deformaciones mucho mayores.
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