종이를 접었을 때 자국이 남는 이유는 무엇인가요?

Question

종이를 접었다가 펴면 원래는 빳빳한 종이였지만 주름이 남아서 아무리 원래대로 되돌리려고 해도 그럴 수 없습니다. 한번 접은 종이는 계속 주름이 남아있게 되는데 이러한 이유는 무엇인가요? 종이를 구성하는 원자 구조가 접는다는 행위로 인해 끊어지게 돼서 그럴 것 같은데 이러한 원자 구조가 끊어지게 되는 재료의 특성이 있을까요? 만약, 원자 구조의 배열이 끊어지게 하는 각도가 있다면 이는 어떻게 구해야 할까요?

Answer 1

안녕하세요.

오.. 이질문은 생각도 안해봤던 참신한질문인것 같네요..

제 생각에는 섬유의 특성으로 생각됩니다.

마치 구김이 잘 가는 옷에 주름이 잡히면 다리거나 세탁하기 전까지는 계속 주름이 유지되듯이요..

위에있는 사진은 색종이와 같은 한지 섬유의 확대사진이구요

아래있는 사진은 저희가 평소입는 티셔츠의 확대사진입니다.

둘다 결국에는 섬유로 이루어진 물질이고 접히는 현상이 일어나면 섬유질의 변형이 발생합니다. 즉, 원래 유지하던 형태로 섬유가 엉켜있는게 아니라 구겨져버린 형태로 엉켜 버리는 것이죠

제 생각에는 종이도 마찬가지로 강한 열과 압력 그리고 약간의 수분이 있다면 접힌종이라도 원래대로 돌릴수 있을것 같습니다.

종이의 접힌부분이 옷의주름보다 선명한 이유가 재료의특성과 관련이 있을것 같습니다. 그 각도에대해서는 실험적으로 확인하여 공식화하게되면 재료의 주름정도를 말할수 있는 척도가 될것같습니다. 현재 찾아본 바로는 그 각도에대해서 밝혀진 내용은 따로 없네요..

감사합니다.

Answer 2

종이를 접었을 때 생기는 주름은 종이의 분자 구조가 굴곡을 따라 이동하지 못하고 그대로 남기 때문입니다. 이는 종이의 섬유 구조가 서로 교차되어 있는 것과 관련이 있습니다. 원자 구조가 끊어지는 재료의 특성은 없지만, 접는 각도에 따라서 분자 간 상호작용이 달라져서 주름이 더 남을 수도 있습니다. 이를 계산하기 위해서는 분자 동역학 모사와 같은 이론적인 계산이 필요합니다.

Answer 3

안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.

어떤 재료에 힘을 가했다가 제거하면 원래대로 돌아가는 성질을 탄성이라 하고, 어떤 재료에 힘을 가했다가 제거하면 원래대로 돌아오지 못하고 변형된 상태로 있으면 소성이라 합니다. 예를 들어 금속봉을 조금 힘을 주었다 제거하면 다시 복원되서 탄성에 의해 원래대로 돌아옵니댜. 그러나 힘을 많이 주게 되면 금속봉이 구부러지고 소성변형이 일어나서 원래대로 돌아오지 않습니다. 그러나 이 때는 소송변형으로서 금속원자의 배열이 바뀌어 모양만 변하게 됩니다. 다시 반대로 힘을 주게 되면 변형을 제자리로 돌려 원래 형태로 모양은 복구가 가능합니다. 만약 금속봉을 아주 많이 구부리면 소성변형을 넘어서 금속이 찢어집니다. 즉, 금속원자간에 결합이 서로 분리가 되어버려 다시 원상복구가 불가능합니다. 종이도 마찬가지입니다. 약간의 힘으로 구부렸다가 놓으면 제자리로 돌아오지만 접어 버리면 과도한 힘으로 소성 변형과 함께 내부의 종이의 결합이 미세하게 찢어져 버립니다. 다시 원래대로 펴면 소성 변형된 일부분은 제자리로 돌아오지만 미세하게 찢어진 부분은 그대로 남아서 자국으로 보이게 됩니다.

힘을 주어서 소성변형된 재료는 원자간의 위치가 바뀌어서 반대로 힘을 주었을 때 다시 원자가의 위치가 바뀌므로 모양이 원형과 같아 보이지만 원자의 위치를 처음 배열 위치로 돌아가기가 어려워 완전한 복구는 불가능하고, 거시적으로 볼때 모양이 거의 복구된 형태로 보입니다.

따라서 종이를 접으면 소성변형과 찢어짐이 동시에 발생하므로 완전한 복구가 불가능하고, 미세한 찢어짐으로 거시적인 모양에서도 주름이 남게 됩니다.

재료가 탄성에서 소성으로 넘어가는 각도는 그 재료의 종류와 그 재료의 두께와 길이에 따라 달라집니다. 같은 종이라도 종이의 길이, 두께에 따라 달라지고 일반적으로 이러한 것은 실험으로 결정합니다. 종이를 접는다는 행위는 소성을 넘어서 종이가 미세하게 찢어지는 과정을 동시에 행한다고 할 수 있습니다.

Answer 4

안녕하세요. 김태경 과학전문가입니다.

종이접기를하면 자국이 남는 이유는 탄성한계에 있습니다

탄성을 가진 물체에 힘을 가하게 되면 일정힘 이내에서는 원래대로 돌아오지만 일정힘을 넘어가면 망가지게 됩니다

종이도 살짝 구부리면 원래대로 돌아오지만 접으면 자국이 남는 것 입니다

Answer 5

탄성이란 어떠한 범위를 넘지 않는 힘을 가하면 원래대로 돌아가는 성질입니다.

스프링이나 고무줄을 늘려도 원래대로 돌아가는 것이 탄성 때문입니다.

하지만 스프링이나 고무줄을 계속해서 늘리면 탄성한계를 벗어나서 원래대로 돌아가지 않습니다.

즉, 종이는 탄성한계가 매우 작기 때문에 종이를 접는 힘(탄성한계를 벗어난 힘)을 가하면 원래대로 돌아가지 않습니다.