Critical phenomena in helical rods with perversion - Archive ouverte HAL
Pré-Publication, Document De Travail (Preprint/Prepublication) Année : 2024

Critical phenomena in helical rods with perversion

Phénomènes critiques dans les tiges hélicoïdales avec perversion

Résumé

Equilibrium configurations of helical elastic rods during quasi-static unwinding are studied experimentally and theoretically. At a critical degree of unwinding, the helical conformation destabilizes into a mixed phase consisting of two helices with opposite chiralities connected by a perversion. As unwinding progresses, the perversion migrates along the rod, eventually disappearing, leading to a pure helical conformation with opposite chirality from the initial state. Measurements of axial torque and force as functions of extension and winding reveal remarkable phenomena: (i) As the perversion migrates, the torque remains nearly constant. (ii) The transition from a pure helix to a configuration with perversion is accompanied by snapping events, seen as singularities in torque and force. (iii) At a critical force, the perversion destabilizes and transitions to a self-touching conformation. The phase diagram and overall mechanical behavior are reproduced using a biphasic model. A shooting technique, numerical path-following methods and finite element simulations are employed to assess the instability of the perversion and the associated snapping toward self-contact. The singularity at the creation of the perversion is reproduced by incorporating clamping effects within path-following methods. An analogy with first-order phase transitions is discussed. The nearly constant torque in the mixed phase is reminiscent of a Maxwell plateau, while the creation of a perversion with snapping corresponds to a nucleation event. Finally, to apply our analysis to plant tendrils, we study a specific line in the phase diagram of the mixed state corresponding to zero net turns. The associated transition is continuous and supercritical.
Les configurations d'équilibre des tiges élastiques hélicoïdales lors de leur déroulement quasi-statique sont étudiées expérimentalement et théoriquement. À un degré critique de déroulement, la conformation hélicoïdale se déstabilise pour former une phase mixte constituée de deux hélices de chiralités opposées reliées par une perversion. À mesure que le déroulement se poursuit, la perversion migre le long de la tige, pour finalement disparaître, aboutissant à une conformation hélicoïdale pure de chiralité opposée de l'état initial. Les mesures du couple axial et de la force en fonction de l'extension et du déroulement révèlent des phénomènes remarquables : (i) Pendant la migration de l'inversion, le couple reste presque constant. (ii) La transition d'une hélice pure à une configuration avec inversion s'accompagne de phénomènes de rupture brusque, observés comme des singularités dans les mesures de couple et de force. (iii) À une force critique, la perversion se déstabilise pour adopter une conformation avec auto-contact. Le diagramme de phase et le comportement mécanique global sont reproduits à l'aide d'un modèle biphasique. Une technique de tir ("shooting"), des méthodes numériques de suivi de chemin et des simulations par éléments finis sont utilisées pour analyser l'instabilité de la perversion et les phénomènes claquage associés menant à l'auto-contact. La singularité à la création de la perversion est reproduite en incluant les effets de fixation dans les méthodes de suivi de chemin. Une analogie avec les transitions de phase du premier ordre est discutée. Le couple presque constant dans la phase mixte rappelle un plateau de Maxwell, tandis que la création d'une perversion accompagnée d'un claquage correspond à un événement de nucléation. Enfin, pour appliquer cette analyse aux vrilles de plantes, une ligne spécifique dans le diagramme de phase de l'état mixte correspondant à un nombre net de tours nul est étudiée. La transition associée est continue et supercritique.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

hal-04838602 , version 1 (14-12-2024)

Identifiants

  • HAL Id : hal-04838602 , version 1

Citer

Émilien Dilly, Sébastien Neukirch, J. Derr, Dražen Zanchi. Critical phenomena in helical rods with perversion. 2024. ⟨hal-04838602⟩
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