网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

针织物会不会散开,是个拓扑问题?

0
分享至



拓扑学是数学的一个分支,它研究的是当一个结构发生连续形变、但没有被切断时,仍然保持不变的几何性质。

扭结理论是拓扑学的一个分支,它正好可以用来说明这种思想。想象拿一根绳子,在上面打一个最简单的单结,也就是我们日常打结时最基本的那种结。如果把绳子的两个自由端固定住,那么在不剪断绳子的情况下,这个结就无法解开,因为绳子不能穿过自身。

扭结理论为描述针织物和钩针织物提供了一套数学工具,因为和扭结一样,这些织物的稳定性也来自拓扑关系。在一项发表于《物理评论X》的研究中,一组研究人员开发出了一套数学框架,并指出扭结理论可被用来判断某种织物图案是否能够通过针织或钩针方式制成,以及织物是否会因为一个缺陷而发生解体。

“灾难性”的散开

针织物钩针织物通常由一根连续纱线构成,它们的顶部都有一条“工作边”。如果工作边上的自由线圈被固定在原位,那么织物整体就是稳定的,因为纱线无法穿过自身。在针织过程中,一整排正在工作的线圈通常都套在织针上;而在钩针过程中,钩针通常只固定当前正在操作的那个活动线圈。


(左)从上方所示的初始状态出发,仅通过虚线圆圈内的局部操作,哪些构型可以形成、哪些不能形成。(中)在针织结构的形成过程中,允许进行不移动纱线端点、但可以产生或消除交叉的操作。(右)不允许移动纱线端点的操作。

但这种结构也有一个显著特点:由于整块织物往往由同一根连续纱线构成,它有可能发生灾难性的整体失效。如果工作线圈没有被固定,或者纱线被剪断,那么只要拉动一个松脱的线头,整块织物就可能不断解开。

织物的解体也可能由有缺陷的针目引起。针织衣物中常见的“抽丝脱线”就是一个熟悉的例子。它通常发生在纱线断裂,或者漏针、留下一个悬空线圈的时候。这些有缺陷的线圈会沿竖直方向传播,形成一整列被拆开的针目。

在一些复杂结构里,人们往往很难直接预测缺陷会以什么方式导致织物散开,甚至无法判断它究竟会不会散开。

把“脱线”变成数学问题

在新的研究中,研究人员利用扭结理论,为这种缺陷传播建立了一套数学描述。

他们首先把针织和钩针织物表示为由一维曲线组成的二维织物图,并把整个织物建模为一个由重复“单元格”组成的网格。每个单元格代表一个局部纱线结构,可以处于正常针目状态,也可以处于缺陷状态。

这样一来,研究人员就不再需要逐点追踪整根纱线的位置,而可以把一个复杂的整体问题,转化成单元格之间局部状态如何变化的问题。

接着,他们在这些重复图案中人为引入缺陷。在数学模型里,一个缺陷可以表现为某个针目中纱线自交叉关系发生翻转:原本从上方跨过的纱线变成从下方穿过,或者反过来

在扭结理论中,如果两个扭结能够在不剪断绳子的情况下,通过连续拉伸、弯曲和移动相互转化,那么它们在拓扑上就是等价的。

因此,当研究人员在一个单元格中引入缺陷之后,如果一个相邻单元格也能够在不切断纱线的情况下,通过连续变形转化为缺陷状态,就可以认为这个缺陷从一个单元格传播到了另一个单元格。

什么是真正的“可针织”?

利用这一方法,研究人员可以判断某个特定图案是否具有“可针织性”,也就是说,它是否能够通过操作一根两端固定的连续纱线构造出来。

研究人员会把周期性织物图案映射到一个环面上。环面就是一个类似甜甜圈的表面。这样处理之后,织物就不再具有侧边,也没有工作边,只留下结构本身的拓扑性质。


随后,他们在这个环面结构中引入一整行缺陷,并观察这些缺陷能否继续传播。对于一个真正可针织的结构,如果把环面上的一整行针目转变成缺陷,这些缺陷就能够逐行传播,最终使整个结构解开成简单的纱线环。从拓扑学上说,最终得到的是平凡扭结或平凡链环

利用这一框架,研究人员能够把针织和钩针这类基于线圈的结构,与其他类型的织物区分开来。

操纵缺陷传播

研究人员还发现,通过控制缺陷在织物中的传播方式,可以影响损伤在整个结构中的发展过程,从而为设计具有可调力学性能的织物提供一条新的路径。

基于这些原理,研究人员还设计出了能够抑制缺陷传播、因而将损伤限制在局部范围内的织物。类似地,他们也设计出了能够放大损伤传播、因而很容易整体散开的织物。这些结果展示了从数学上理解织物拓扑所带来的设计优势。

不仅限于织物

这项研究将传统纺织工艺与现代数学和物理学联系在了一起。它提供了一种基于拓扑系统研究和设计织物结构的方法。

这种思想并不限于织物。聚合物、生物组织和软体机器人材料中,同样存在大量彼此缠结的细长结构。对于这些系统而言,宏观性质不仅取决于组成材料,也可能深刻受到连接和缠绕方式的影响。因此,这套框架也有望为理解和设计更广泛的复杂材料提供新的思路。

#参考来源:

https://www.nature.com/articles/d41586-026-02466-9

https://physics.aps.org/articles/v19/s88

https://en.ritsumei.ac.jp/news/detail/?id=1180

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
养孙8年疑非亲生迎来大结局!鉴定机构被罚,老人手握DNA依然败诉,评论区炸锅

养孙8年疑非亲生迎来大结局!鉴定机构被罚,老人手握DNA依然败诉,评论区炸锅

火山詩话
2026-09-16 13:36:30
记者:JJ-加布里埃尔10月满16岁就可离队,不能加盟英超球队

记者:JJ-加布里埃尔10月满16岁就可离队,不能加盟英超球队

懂球帝
2026-09-16 19:00:07
震惊!杭州买房裸泳大有人在!媒体调查报告:好多300-500万的刚需,首付15%的占大多数

震惊!杭州买房裸泳大有人在!媒体调查报告:好多300-500万的刚需,首付15%的占大多数

火山詩话
2026-09-14 20:04:16
白宫说100%尊重沃什,可后面补的那句话,让加息几乎没了悬念

白宫说100%尊重沃什,可后面补的那句话,让加息几乎没了悬念

陌上桃花开的
2026-09-16 10:39:17
生过男孩的女性,体内会长期存在男性DNA?!多项研究:妊娠期间,胎儿细胞会通过胎盘进入母体血液循环,甚至分化为功能细胞

生过男孩的女性,体内会长期存在男性DNA?!多项研究:妊娠期间,胎儿细胞会通过胎盘进入母体血液循环,甚至分化为功能细胞

梅斯医学
2026-08-09 07:54:41
马斯克:凡是喜欢稳定的人,都会穷得很稳定——不敢冒险,就是最大的风险

马斯克:凡是喜欢稳定的人,都会穷得很稳定——不敢冒险,就是最大的风险

杏花烟雨江南的碧园
2026-09-04 13:15:03
金价9月16日,大家注意了,拐点已现,明后两天或将迎来大风暴

金价9月16日,大家注意了,拐点已现,明后两天或将迎来大风暴

花小猫的美食日常
2026-09-16 06:16:51
赛季第3人!阿尔卡拉斯锁定年终总决赛席位,连续第5年参赛

赛季第3人!阿尔卡拉斯锁定年终总决赛席位,连续第5年参赛

全景体育V
2026-09-16 20:32:23
网约车空车行驶撞车,保险公司拒赔,司机:一夜之间负债4万多!

网约车空车行驶撞车,保险公司拒赔,司机:一夜之间负债4万多!

用车指南
2026-09-15 10:00:37
职工:流泪怀念六七十年代国企对职工工作、生活、政治关怀的真情

职工:流泪怀念六七十年代国企对职工工作、生活、政治关怀的真情

一口娱乐
2026-09-16 14:45:25
东体:海港全队连夜回到上海,三位国脚休息到20日去国足

东体:海港全队连夜回到上海,三位国脚休息到20日去国足

懂球帝
2026-09-16 14:35:57
物业费改革有新提议:两室一厅年收费200元,三室一厅300元

物业费改革有新提议:两室一厅年收费200元,三室一厅300元

一些小事
2026-09-16 09:03:07
搬起石头砸自己的脚,本想"毁掉"孙颖莎,不料自己先被扒个底朝天

搬起石头砸自己的脚,本想"毁掉"孙颖莎,不料自己先被扒个底朝天

观察鉴娱
2026-09-16 10:51:43
《身体疼痛对照表》很难得,快为家人朋友收藏!

《身体疼痛对照表》很难得,快为家人朋友收藏!

诗词天地
2026-09-14 14:09:33
女演员突然晒出剃刀和满地头发:我自己冲动做了件事

女演员突然晒出剃刀和满地头发:我自己冲动做了件事

影视情报室
2026-09-14 11:33:02
提醒:煮熟也有毒,一口都别吃,很多家庭天天吃,看完赶紧扔掉

提醒:煮熟也有毒,一口都别吃,很多家庭天天吃,看完赶紧扔掉

观星赏月
2026-09-11 06:31:51
普京:150美元的天然气欧洲说“太贵”,1000美元的他们抢着买

普京:150美元的天然气欧洲说“太贵”,1000美元的他们抢着买

扶苏聊历史
2026-09-15 17:51:16
眼睛是“脑梗”的晴雨表?医生忠告:眼睛若有4个异常,及时就医

眼睛是“脑梗”的晴雨表?医生忠告:眼睛若有4个异常,及时就医

健康科普365
2026-09-14 19:30:16
世界首次无人艇对决曝光!乌军取胜,为中国南海防御敲响警钟!

世界首次无人艇对决曝光!乌军取胜,为中国南海防御敲响警钟!

近史博览
2026-09-16 00:45:41
体积缩40%还塞进80W,OPPO这颗小方瓶要来了

体积缩40%还塞进80W,OPPO这颗小方瓶要来了

报错免疫体
2026-09-16 14:12:23
2026-09-17 01:15:00
原理
原理
科学,照亮黑暗的蜡烛。
3091文章数 58757关注度
往期回顾 全部

科技要闻

赛力斯接管问界,撑得住华为给的身价吗?

头条要闻

父亲遛狗2岁娃独留家中从18楼坠亡 父亲发声:我很愧疚

头条要闻

父亲遛狗2岁娃独留家中从18楼坠亡 父亲发声:我很愧疚

体育要闻

对话西甲联盟高管:西班牙足球到底强在哪?

娱乐要闻

乔任梁去世十周年,陈乔恩悼念

财经要闻

邢自强:中美AI决胜点不在算力

汽车要闻

奔驰周娟:全新长轴距GLE SUV第一次拥有了"中国脑,中国心"

态度原创

房产
本地
数码
公开课
军事航空

房产要闻

突发!三亚安居房出台新政!

本地新闻

不止胖东来!许昌藏着半部三国史

数码要闻

首款AI智能体手机努比亚NaviX Ultra发布:5499元起

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

军事要闻

中东美军基地遭伊朗袭击后照片被披露

无障碍浏览 进入关怀版