Lectura Si las bandas de goma se estiran, la fuerza de restauración no aumenta en proporción a la longitud de la expansión más allá de una cierta longitud crítica. Aunque este comportamiento no lineal puede investigarse experimentalmente en experimentos escolares simples, el tamaño de la fuerza no lineal no podría predecirse teóricamente a partir de las propiedades materiales del caucho. Los físicos de la Universidad de Urbana-Champaign ahora han demostrado que una contribución previamente pasada por alto a la entropía de las moléculas de banda elástica puede explicar la no linealidad. Si una banda elástica se estira una pequeña distancia en comparación con su longitud, la fuerza de restauración que se produce es proporcional al tamaño de la expansión, al igual que con un resorte. Sin embargo, la Ley de Hooke, conocida por la física escolar, ya no es válida para cepas más grandes. La relación matemática entre fuerza y ​​extensión no es lineal en esta área.

Paul Goldbart y sus colegas de Urbana-Champaign y Boulder ahora han modelado con éxito esta situación experimental en un estudio teórico de la termodinámica de las moléculas de una banda de goma. Para este propósito, los investigadores aplicaron por primera vez un modelo de fuerzas de elasticidad en el caucho creado hace más de 60 años.

La goma consiste en moléculas de cadena larga que se unen en sitios aleatorios a lo largo de su longitud mediante enlaces químicos. Cuando se estira el caucho, las moléculas se estiran y se alinean más o menos una al lado de la otra en una fila y una línea. En el estado no estirado, por otro lado, las cadenas se enrollan y se enredan de manera caótica, de modo que la entropía del sistema es máxima en este estado.

La fuerza restauradora que el caucho quiere regresar al estado no estirado ocurre porque la naturaleza busca estados de máxima entropía. ¿Esta consideración termodinámica puede calcular así las fuerzas efectivas de las gomas elásticas estiradas? pero solo en el área de validez de la Ley de Hooke. visualización

El grupo Goldbarts ahora ha demostrado que también el comportamiento no lineal puede explicarse con tal consideración. Para este propósito, los investigadores solo tuvieron que tener en cuenta que los puntos de conexión de las cadenas moleculares adyacentes pueden desplazarse a lo largo de la banda a medida que se estira. Estas migraciones de los nodos no habían sido consideradas por la teoría original.

Los investigadores muestran en su estudio que los movimientos de los nodos contribuyen en gran medida a la entropía total de la banda elástica. De hecho, si esta contribución adicional se incorpora a las ecuaciones, se formará una no linealidad entre fuerza y ​​deformación en deformaciones más largas.

Goldbart quiere ampliar su estudio en los próximos meses a otros materiales elásticos y también verificar si el Entropiemodelle se puede utilizar con éxito en ingeniería.

Physical Review Letters, Vol. 98, Artículo 075502 Stefan Maier

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