Formation of Non-uniform Double Helices for Elastic Rods under Torsion
在扭转条件下，纤维自发形成双螺旋是常见的，也是重要的。例如，对DNA超螺旋的研究有助于理解DNA的复制和转录。类似的双螺旋可以出现在聚合物链、碳纳米管纱线、电缆、电话线等中。我们注意到，由于自接触引起的表面摩擦，可以产生不均匀的双螺旋。因此，提出了一个理想的模型来研究双螺旋的形成弹性杆扭矩。利用变分法导出了一个对光滑表面和粗糙表面都适用的一般平衡条件。在此基础上，通过进一步的约束条件，分别对光滑和粗糙表面的情况进行了详细的研究。此外，该模型表明，如何扭曲和松弛杆的具体过程可以确定表面摩擦，从而影响由具有粗糙表面的杆形成的双螺旋的构型。基于这一原理，提出并论证了一种设计构型的双螺旋线加工方法。最后通过实验对模型进行了验证，实验结果与理论分析吻合较好.
2016-09-26 cond-mat.soft
Flocking through a sea of rods
Indian Institute of Technology Mandi（印度曼迪理工学院）
研究通过数值模拟揭示了运动杆在非极性介质中因反扩散不稳定性形成编队的现象，揭示了各向异性对编队结构的影响及最小平均场模型的解释。
2026-03-11 cond-mat.soft
Elasticity of Stiff Polymer Networks
本文研究了刚性杆的二维随机网络（“Mikado模型”）的弹性。该模型的基本特征是杆的各向异性弹性和网络的随机几何形状。我们发现，有三个不同的标度制度，其特征在于两个不同的长度尺度上的弹性骨干。除了临界刚性渗流区和均匀弹性制度，我们发现一个新的中间标度制度，其中弹性主要由弯曲变形。
2003-03-27 cond-mat.soft
Partial constraint singularities in elastic rods
我们提出了一个统一的经典处理部分约束弹性杆。部分约束通常在形状和反力上都具有奇异性。我们的方法包括套筒和粘附问题，并提供了简单和明确的推导文献中的反直觉的结果。反作用力与力矩、几何形状和粘附能之间的关系遵循准静态运动期间的能量平衡。我们还将我们的方法与物质动量的平衡和驱动牵引力的概念联系起来。该理论是可推广的，可以应用于广泛的接触，粘附，抓地力，和运动问题。
2018-05-15 cond-mat.soft physics.class-ph
A quaternion-based continuation method to follow the equilibria and stability of slender elastic rods
我们提出了一个理论和数值框架来计算细长弹性杆的平衡和稳定性的分叉。通过参数化中心线的位置并利用四元数来表示材料框架的方向，以几何精确的方式处理杆的3D运动学。平衡方程及其解的稳定性是从机械能导出的，其中考虑了内部力矩（弯曲和扭转）、外力和扭矩的贡献。我们使用四元数允许平衡方程被写在一个简单的二次形式和有效地解决了渐近数值连续方法。这种有限元摄动方法提供了互动访问半解析平衡分支，在对比从经典的最小化或预测校正技术获得的个别解决方案点。举例来说，我们应用我们的数值来解决极端扭曲下的自然弯曲杆的具体问题，并与我们自己的精确模型实验进行详细的比较。优秀的定量协议之间的实验和模拟的基础3D屈曲不稳定性和所产生的复杂配置的表征。
2012-12-22 cond-mat.soft
Bonded-particle model for magneto-elastic rods
Syracuse University（雪城大学）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
本文提出一种磁弹性杆的键合粒子模型，结合大变形、接触和长程磁相互作用。通过键合粒子模拟杆的变形，并利用磁偶极子实现外部磁场驱动和长程磁偶极子相互作用。
2026-07-08 cond-mat.soft
Scratching a 50-year itch with elongated rods
液晶弹性的经典奥森-弗兰克理论是基于实验验证的事实，即存在三种独立的扭曲模式，每种模式都有其相关的弹性常数。另一方面，可以说更多的第一性原理序参量为基础的朗道-德热讷理论只涉及两个独立的弹性模式。由此产生的“弹性常数问题”在理论家中引起了相当大的麻烦。在世纪之交的一系列论文中，福田和横山提出，这个问题的解决可以在自由能理想部分的非局部效应的适当处理中找到。他们使用了一种巧妙但技术复杂的技术，该技术基于半柔性聚合物的场论方法。在这里，我们重温他们的想法，但现在在更容易理解的刚性粒子密度泛函理论的框架。我们的工作恢复了他们对棒状粒子的主要结果，即一般来说，一个有序的非相互作用的棒的集合有三个独立的弹性常数与之相关，所有的尺度都是粒子长度的平方，并遵守不等式$K_2 < K_1 < K_3$。我们还考虑了盘状粒子的情况，然后发现符合预期的是$K_3 < K_1 < K_2$。
2018-06-22 cond-mat.soft
"Wunderlich, meet Kirchhoff": A general and unified description of elastic ribbons and thin rods
采用经典弹性细杆理论，导出了弹性薄带的平衡方程。以前建立的带状模型进行了扩展，以处理测地线曲率，自然出平面曲率和可变宽度。有限宽度的情况下（Wunderlich的模型）和小宽度的限制（Sadowksky的模型）恢复。假设带状物在变形时保持可展性，并且母线的方向用作内部变量。标识表示不可扩展性的内部约束。带状物的平衡被发现由包含其第二梯度的内变量的平衡方程、细杆的经典基尔霍夫方程组和特定的细杆状本构律所控制;这将Starostin和van der Heijden（2007）的结果扩展到一般带状物模型。我们的方程特别适用于具有测地曲率的带状物，例如在一张纸上切出的环形物。讨论了其他应用实例。本文利用材料框架而不是Frénet-Serret框架，统一了薄带和细棒的描述。
2014-08-26 cond-mat.soft physics.class-ph
A nonlinear theory for fibre-reinforced magneto-elastic rods
我们推导出一个模型的磁弹性杆加强各向同性（球形）或各向异性（椭球形）夹杂物的有限运动。假设颗粒弱且均匀磁化，刚性且牢固地嵌入弹性体基质中。我们推导出了外磁场和体积力作用下杆的准静态运动的封闭形式表达式。的包裹体的形状，它们的取向，它们的各向异性的磁性和杨氏模量的矩阵的运动的依赖关系进行了分析和讨论。两个案例研究中，杆被用作致动器悬挂在悬臂配置。这项工作可以促进新的应用领域的软执行器。
2017-10-06 cond-mat.soft physics.app-ph
Deformation of loops in 2D packing of flexible rods
一个长的柔性杆注入到一个二维域产生一个复杂的模式，通常通过弹性理论，包装分析和分形几何研究。“环”是在该系统中自然形成的单顶点实体。每个环的弹性特征在二维堆积中的作用尚未讨论。在这项工作中，我们指出如何在复杂的结构中的一个给定的循环的形状允许估计局部变形和力。首先，我们建立了对称的自由循环集，并进行了压缩实验。然后，紧堆积结构的分析，通过使用图像处理。我们发现，圈的尺寸，限制或不，服从相同的依赖于变形。结果与基于二维弹性理论的简单模型一致，其中杆在其接触点之间采用欧拉弹性体的形状。通过对解析表达式进行数值积分，得到了力和储能。在一个额外的实验中，我们得到的变形环的压缩力证实了理论研究结果。循环的形状的重要性进行了讨论，我们希望理论曲线可以允许在未来的调查统计考虑。
2021-03-25 cond-mat.soft
Measuring order in the isotropic packing of elastic rods
弹性体的堆积已成为研究宏观无序系统的一个范例。然而，由于缺乏受控实验，进展受到阻碍。在这里，我们考虑一个模型实验的各向同性的二维约束杆的中心力。我们试图衡量如何有序是一个折叠的配置，我们确定了两个关键的数量。几何特征由配置中的叠加层的数量给出。利用时间调制的约束力，我们探测的力学性质的配置，我们定义和测量其有效压缩性。这两个量可用于建立填充弹性系统的统计框架。
2011-02-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nemato-elasticity of hybrid molecular-colloidal liquid crystals
浸入热致液晶溶剂中的胶体棒是所谓的混合液晶的基础，其特征在于具有可调的双折射流动性，其对称性范围从常规的单轴双折射或反双折射到正交[Mundoor等人，Science 360，768（2018）]。我们提供了这样的系统的弹性模量的理论分析，通过考虑通过表面锚定力，以及空间和静电的杆本身之间的相互作用与嵌入溶剂的各个杆之间的相互作用。对于单轴系统的胶体棒的存在下产生显着增加的splay弹性，我们发现在定量与实验测量。对于正交混合液晶，我们提供了所有12个弹性模量的估计，并表明，只有一个小的子集，这些弹性常数发挥相关的作用，在描述线虫的弹性性能。简要讨论了在实验中确定弹性模量的复杂性和可能性。这些结果将有助于激发未来的研究缺陷修饰的“拓扑”胶体和分析边界驱动的现象，其中双轴向列相产生的非平凡的导演拓扑起着关键作用。
2021-04-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Elastic Response of Wire Frame Glasses. I. Two Dimensional Model
本文研究了刚性线框颗粒浓悬浮体系对阶跃应变的弹性响应。这些粒子由长度为$L$的无限细的刚性棒构成。我们专门比较了直棒状颗粒弯曲和分支线框。在稠密悬浮液中，线框被它们的臂之间的拓扑纠缠冻结在无序状态。我们提出了一个简单的几何方法来找到这些玻璃系统中的浓度的弹性应力的标度。我们将此方法应用到一个简单的二维模型系统中，其中测试粒子被放置在一个平面上，并受到随机分布的点与数密度$ν$的约束。线框悬浮液和棒悬浮液之间有两个显著的区别：1）线框悬浮液的线弹性很大，与$ν^2 L^4$相似，而棒悬浮液的线弹性小得多，与浓度无关。2)对于小于$\sim \sqrt{K/k_B T L^4}$的密度，棒总是剪切变薄，但线框剪切硬化，其中$K$是颗粒的弯曲模量。线框的变形被发现是重要的，即使是小的应变，在特定的应变，$γ$的变形颗粒的比例，由$(νL^2)^2 γ^2$。我们的结果与一个简单的模拟的二维系统吻合得很好。
2021-02-04 cond-mat.soft
A path integral approximation of conditional probability densities with application to stochastic elastic rods
本文推广Gelfand-Yaglom方法至向量情形以计算高斯路径积分，处理零模发散，用于Cosserat弹性杆的成环与端部载荷问题，推导条件概率密度，并与蒙特卡洛模拟验证一致。
2023-09-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Kirchhoff rods with nonhomogeneous cross section
本文研究了非均匀截面不可伸长弹性细杆的基尔霍夫理论。杆的杨氏模量和剪切模量被认为是径向变化的，它示出的本构关系的解析解，可以得到圆形截面和恒定的泊松比。我们评论我们的结果可能的应用。
2004-05-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Equilibrium of Kirchhoff's rods subject to a distribution of magnetic couples
研究了均匀磁场中磁弹性杆的平衡问题。导出的非线性平衡方程与基尔霍夫理论在同一数量级上是完全一致的。这些方程的Weierstrass椭圆函数的精确解的参考磁弹性悬臂梁进行平面变形的终端力和磁场的作用下，其方向是平行的或正交的。精确解被应用于杆的远程控制变形问题的研究和分支问题，其中端部力和磁场分别作为缺陷参数和分支参数。
2021-01-15 cond-mat.soft math-ph math.MP
Elastic moduli of a smectic membrane: a rod-level scaling analysis
手性棒状胶体暴露于强烈的耗尽吸引力可以自组装成手性膜，其扭曲的指向矢场不同于3D散装手性分子。我们制定了一个简单的微观变分理论，以确定组装成一个二维近晶膜杆的弹性模量。该方法是基于一个简单的Onsager-Straley理论的非均匀的导演场，我们适用于描述杆扭曲膜内。一个微观的方法，使个人弗兰克弹性模量（张开，扭曲和弯曲），以及扭曲渗透深度的近晶膜的杆密度和形状的详细估计。我们发现，弹性模量是明显不同的，从一个散装的流体，与splay弹性大得多，曲率弹性小得多，比杆组装在一个三维的流体。我们认为，使用简单的一个常数近似，其中所有的模量被假定为是相同的幅度是不合适的近晶膜的结构-性能关系的建模。
2018-01-08 cond-mat.soft
Phase diagrams of charged colloidal rods: can a uniaxial charge distribution break chiral symmetry?
我们构建相图内的第二维里近似作为棒浓度，盐浓度和胶体电荷的函数的带电棒状胶体。除了预期的各向同性的，双相过渡，我们还发现参数制度与双相和第二，更高度对齐的双相共存，包括各向同性的双相-双相三相点和向列相-双相临界点，这都可以解释的扭曲效应。我们计算弗兰克弹性常数，看看扭转弹性常数是否可以成为负的，这将表明自发形成一个双相的可能性。虽然扭转效应降低了扭转弹性常数，但我们发现它始终保持正值。此外，我们发现，对于有限的纵横比杆的扭转弹性常数也总是积极的，这样就没有证据的手征对称性打破由于单轴电荷分布。
2016-02-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Mechanics and force transmission in soft composites of rods in elastic gels
我们报告了详细的理论研究的微观力学和体弹性性能的复合材料组成的随机分布的刚性纤维嵌入在弹性矩阵中的二维和三维。最近发表在Physical Review Letters [102，188303（2009）]中的实验表明，在较软的、几乎不可压缩的生物聚合物基质中包含刚性微管可导致出现可压缩性。这可以理解为，由于添加了刚性杆状夹杂物，复合材料的压缩性相对于其剪切柔量的增强。我们表明，这样的复合材料的泊松比$ν$的发展与增加杆密度朝向一个特定的值，或{ \em不动点}，独立的矩阵的材料特性，只要它具有有限的初始压缩性。这个固定点在三维中是$ν=1/4$，在二维中是$ν=1/3$。我们的研究结果表明，在细胞力学中的刚性丝，如微管和应力纤维的重要作用。同时，我们的工作具有更广泛的弹性背景，具有潜在的应用于复合弹性介质，其组分的刚度具有广泛的尺度分离，例如碳纳米管-聚合物复合材料，其已被证明具有高度可调的力学。
2011-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Nonlinear elasticity of composite networks of stiff biopolymers with flexible linkers
最近的实验表明，非线性弹性的生物聚合物肌动蛋白与细丝蛋白交联的体外网络的动机，我们提出了一个有效的介质理论的灵活交联的刚性聚合物网络。我们模拟这样的网络随机定向的弹性杆连接柔性连接器周围的弹性连续体，这自洽地代表了网络的其余部分的行为。该模型产生从线性弹性状态到高度非线性弹性状态的交叉，该高度非线性弹性状态以与实验定量一致的方式硬化。
2008-10-19 cond-mat.soft
The isotropic-nematic interface in suspensions of hard rods: Mean-field properties and capillary waves
本文研究了硬球柱系统中各向同性-非均匀界面。首先，我们比较了蒙特卡罗模拟和Onsager密度泛函理论的取向序参量和密度的界面配置文件的结果。那些不受毛细波影响的界面性质是在良好的协议，尽管事实上，Onsager理论高估了共存密度。然后，我们显示的界面的毛细波的Monte Carlo研究的结果。与最近的理论研究（Eur.Phys.J. E { \bf 18} 407（2005））一致，我们发现了强各向异性的毛细管波谱。对于在我们的模拟中访问的波数，频谱是二次的，即弹性不起作用。我们推测，这种效应是由于强烈的弯曲刚性的指向矢场悬浮球柱。
2006-05-02 cond-mat.soft
Dynamic buckling and fragmentation in brittle rods
本文介绍了细长杆受弹丸轴向撞击的动力屈曲和破碎实验。通过结合圣维南和弹性梁理论的结果，我们推导出一个优选的波长λ的屈曲不稳定性，并实验验证了所得的标度律的范围内的材料，包括碲，干面食，玻璃，和钢。对于脆性材料，屈曲导致杆的断裂。测得的片段长度分布在λ/2和λ/4附近显示出两个明显的峰。分布的非单调性反映了确定性屈曲过程对更随机的破碎过程的影响。
2004-10-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Inverse Design of Planar Clamped-Free Elastic Rods from Noisy Data
针对平面悬挂弹性杆的自然形状逆设计问题，构建静力学理论框架，分析噪声等不确定性的影响，结合伴随法提出鲁棒性更强的学习框架，经数值验证有效，可用于软体机器人等领域的软结构逆设计。
2024-06-21 cond-mat.soft cs.GR
Spatial deformation of a ferromagnetic elastic rod
Indian Institute of Science（印度科学学院）
本文研究了在纵向磁场下铁磁弹性细杆的三维变形相图，结合终端张力和扭转力矩，分析了弹性与铁磁耦合对相变的影响，揭示了不同材料的分岔行为及后屈曲配置的载荷-变形关系。
2026-09-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft math-ph
Controlling fracture cascades through twisting and quenching
断裂限制了宏观和微观材料的结构稳定性，从梁和骨头到微管和纳米管。尽管最近取得了进展，但裂缝控制仍然存在深刻的实践和理论挑战。费曼提出的一个著名的长期问题是，为什么脆性弹性杆在受到大的弯曲应力时几乎总是断裂成至少三块。费曼的观察提出了关于存在可以在脆性材料中鲁棒地诱导二元断裂的协议的基本问题。使用实验，模拟和分析的比例参数，我们证明了控制二进制断裂的脆性弹性棒两个不同的协议的基础上扭曲和非绝热淬火。我们的扭转控制断裂的实验数据同意定量与理论预测的相图。此外，我们建立了新的淬火断裂的渐近标度关系。由于它们的一般性质，这些结果预计将适用于扭转和动力断裂过程中的广泛的系统。
2018-02-15 cond-mat.soft
Elastic response of colloidal smectics: insights from microscopic theory
本文基于体积排斥模型提出硬棒近晶相的通用状态方程，并研究其层压缩与弯曲弹性，通过引入骨架柔性实现了与丝状病毒棒实验的定量吻合，揭示胶体近晶相层压缩显著更软而弯曲代价相当。
2023-04-26 cond-mat.soft
Growth and remodeling control shape memory in morphogenetic rods
University of Chicago（芝加哥大学）；Biozentrum, University of Basel（巴塞尔大学生物中心）；University of Basel（巴塞尔大学）
研究生长的粘弹塑性棒，发现重塑在形状复杂性和可重复性间有权衡，存在最优塑性保护初始模式，生长能打破此权衡，确定重塑和生长速率是控制编码模式走向的关键因素。
2026-07-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Emergent reprogrammable mechanical memory in soft rods network via friction tuning
针对软超弹性杆网络在全局压缩下的局部压痕存储问题，研究通过实验表征弹性—塑性状态转变，并提出基于摩擦的简单模型，揭示可擦除、可重编程的机械记忆机制。
2023-10-02 cond-mat.soft physics.comp-ph physics.pop-ph
Generalized van der Waals theory for the twist elastic modulus and helical pitch of cholesterics
我们基于经典的昂萨格硬不等轴体理论，提出了一个适用于手性球柱溶致胆甾体系的广义范德华理论。杆由一个硬spherocylinocyanate骨干包围的方势阱占吸引力（或软排斥）的相互作用。长程手征相互作用是通过一个简单的赝标势，这是适合于弱手征力的主要静电起源。根据Straley [Phys.Rev.A { \bf 14}，1835（1976）]提出的形式主义，我们导出了作为密度和温度函数的杆的扭转弹性模量和扭转节距的显式代数表达式。沥青随密度的变化呈非单调变化，在低填充率时沥青含量急剧下降，在高填充率时沥青含量显著增加。温度依赖性也有类似的趋势。在高密度（或低温）的螺旋节距的解旋起源于一个显着的增加，在当地的螺旋顺序和急剧增加的扭曲弹性阻力与近平行的本地棒配置。这与通常持有的观点形成对比，即在胆固醇中经常观察到的随着温度降低而增加的沥青是由于近晶前波动导致的层形成。随着温度的升高，沥青的增加与熵解旋一致，因为手性相互作用变得比热能越来越不重要。的间距与密度，温度和轮廓长度的变化是在定性协议与最近的实验结果对胶体{ \em fd}棒。
2009-05-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Elastic medium confined in a column versus the Janssen experiment
我们计算了当材料在壁面各处都处于库仑阈值时，被限制在垂直柱中的弹性介质中的应力。模拟在2维中使用弹簧网格，并在3维中，使用有限元方法。的结果进行了比较的杨森模型和实验结果的颗粒状材料。讨论了考虑弹性各向异性对实验结果定性的必要性。
2004-12-15 cond-mat.soft
Active nonreciprocal attraction between motile particles in an elastic medium
我们从振动激活颗粒物质的实验和模拟中发现，自推进的极杆在弹性介质中的基板上转动并朝向彼此移动。我们通过运动粒子的粗粒度理论来解释这种有效的吸引力，运动粒子是一种移动的点力密度，它在介质中产生弹性应变，使其他粒子重新定向。我们的测量定性地证实了棒产生的扭曲的预测特征，包括拖尾位移场的$|x|^{-1/2}$尾部和非互易感测和追踪。沿运动方向和垂直于运动方向的位移量之间的差异仍然存在。我们的理论应该与细胞外基质或凝胶或组织支持层中运动细胞的相互作用有关。
2022-05-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Aharonov-Bohm Effect and Disclinations in an Elastic Medium
在这项工作中，我们调查准粒子的背景下，在固体中的缺陷使用的几何理论的缺陷。在此背景下，我们利用平行输运矩阵来研究Aharonov-Bohm效应。对于在这种有效介质中运动的准粒子，我们证明了类似于引力Aharonov-Bohm效应的效应。我们分析了这种效应在弹性介质中的一个和$N$缺陷。
2006-01-04 cond-mat.soft hep-th
