¿Cuál es la ciencia detrás del tejido?

Tejer es una tecnología / habilidad rudimentaria que existe desde hace más de mil años. Permite la ingeniería de objetos 3D con una elasticidad deseable. El marco fundamental para comprender las estructuras tejidas allanó el camino para las telas inteligentes basadas en hilos.

El tejido es un antiguo oficio de fabricación utilizado en todo el mundo, aunque se desconocen los orígenes exactos. Algunos de los especímenes tejidos más antiguos datan del siglo XI d.C. en Egipto y estaban hechos de fibras de algodón, no de lana. El proceso de tejido consiste básicamente en la interconexión continua de bucles de hilo con la ayuda de agujas.

Más recientemente, el tejido se ha abierto camino en el mundo de la investigación para que los físicos puedan desenredar la ciencia detrás de la forma de arte. Lo que puede parecer una técnica bastante simple de usar agujas para crear un tejido de punto es en realidad una aplicación de la teoría del nudo (un aspecto de las matemáticas altamente complejas).

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Tejer puede ayudar a quienes sufren de ansiedad o depresión. Esta artesanía actúa como un antidepresivo natural. (Crédito de la foto: littlenySTOCK / Shutterstock)

Tejer ciencia

Los tejedores pasan mucho tiempo planificando los patrones deseados. Es una tarea impresionante crear un objeto tridimensional y bien estructurado a partir de una cuerda de hilo unidimensional que se adapte a una forma particular con todas las propiedades deseadas. Lo crea o no, hay mucho conocimiento empírico profundo e ingeniería compleja involucrada en el tejido. Según una rama de las matemáticas que estudia la teoría de los nudos, un nudo se define como un círculo enredado, encerrado con cruces que son imposibles de desenredar. Por lo tanto, una puntada tejida es una red entrelazada de nudos corredizos, que se repiten espalda con espalda. Un simple bucle de un círculo se conoce como un nudo. Los tejidos de punto que componen las bufandas y los calcetines muestran propiedades completamente diferentes a las de sus hebras individuales de hilo. Las telas son muy elásticas y elásticas, hasta aproximadamente el doble de su longitud, mientras que una longitud de hilo no es en absoluto elástica.

Un patrón de tejido acanalado

Un patrón de tejido acanalado (Crédito de la foto: Pixabay)

¿Por qué un físico estaría interesado en tejer?

Los físicos están tratando de decodificar esta configuración de tejido, donde diferentes combinaciones de tejidos de punto y revés varían el grado de elasticidad. El tejido de punto se considera un tipo de metamaterial (material diseñado artificialmente que adquiere sus propiedades a partir de estructuras diseñadas, no del material base), cuya elasticidad es una propiedad emergente.

El tejido de punto es un metamaterial.  Una hebra individual de hilo es inelástica, pero cuando se configura en nudos corredizos, la elasticidad aumenta.

El tejido de punto es un metamaterial. Una hebra individual de hilo es inelástica, pero cuando se configura en nudos corredizos, la elasticidad aumenta (Crédito de la foto: Pixabay)

La disposición de las hebras de hilo a una escala intermedia determina las características de macroescala del tejido resultante. La periodicidad de las puntadas de bucle se logra fundamentalmente repitiendo la misma estructura unitaria muchas veces. En términos prácticos, esta teoría matemática relacionada con el tejido podría ayudar a los ingenieros a desarrollar tejidos artificiales, e-textiles e incluso líneas aerodinámicas. Todos estos pueden modificarse para absorber y eventualmente almacenar la energía cinética producida por los movimientos del tejedor. Mucha matemática y ciencia de los materiales está involucrada en la fabricación de textiles, aunque generalmente se da por sentado.

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Los tejidos de punto se basan en diferentes patrones de tejido hechos de tejidos de punto, revés y sus diversas combinaciones. Todos tienen una estructura periódica: cada celda unitaria se repite (Crédito de la foto: prodepran / Shutterstock)

Respuesta de elasticidad

Muchos físicos han comenzado a profundizar en las matemáticas complejas para codificar la mecánica involucrada en los patrones de tejido. Los modelos geométricos se centran en la geometría de las puntadas y las propiedades dimensionales de la tela resultante. Manipulan el parámetro de cada puntada antes del cruce de hilos. Por el contrario, los modelos mecánicos tienen en cuenta tanto la elasticidad del hilo como la topología de la estructura del tejido resultante. Uno de los modelos de máquina de tejer en casa más simples toma instrucciones de un conjunto de tarjetas perforadas. Por lo tanto, se establece un “lenguaje de codificación”, similar a un lenguaje utilizado en las primeras computadoras. Los patrones de puntadas proporcionan ciertos códigos programables para la geometría y la elasticidad que son más complejos que el sistema numérico binario (ceros y unos). La simplicidad del modelo permite a los investigadores diseñar estructuras tejidas con formas y propiedades variables.

Todo se reduce a dos factores principales: la extensión de la curvatura del hilo y la longitud del hilo. La fuente principal de la elasticidad de la tela surge de la elasticidad del hilo y de las puntadas de bucle periódicas. La energía elástica del hilo depende de la cantidad de deformación en el tejido. A medida que el hilo se dobla, se estira y pierde una gran cantidad de energía. A medida que la dimensión de la puntada se hace más pequeña, la energía de flexión aumenta, proporcionando una relación entre la energía y los parámetros de interconexión. Las puntadas no se encogen, ya que el diámetro del hilo es fijo. Sin embargo, se impone una restricción cuando el hilo se vuelve inextensible.

Conclusión

La física detrás de este campo inesperado es fascinante y se necesita más investigación para aprovechar todo el potencial del tejido. Al aplicar un conjunto simple de ecuaciones diferenciales y algoritmos de la teoría de nudos, se puede estudiar en profundidad el comportamiento de la tela tejida, que a su vez se podría poner en motores de física para películas o gráficos de juegos de computadora. La elasticidad de los tejidos de punto también podría ser útil para encontrar aplicaciones directas en arquitectura (fabricación aditiva, una capa a la vez) y robótica blanda. Todo lo que tenemos que hacer es descifrar el código … a partir de ahí, ¡las posibilidades parecen infinitas!