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Erschienen in: Journal of Elasticity 1-2/2015

01.04.2015

“Wunderlich, Meet Kirchhoff”: A General and Unified Description of Elastic Ribbons and Thin Rods

verfasst von: Marcelo A. Dias, Basile Audoly

Erschienen in: Journal of Elasticity | Ausgabe 1-2/2015

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Abstract

The equations for the equilibrium of a thin elastic ribbon are derived by adapting the classical theory of thin elastic rods. Previously established ribbon models are extended to handle geodesic curvature, natural out-of-plane curvature, and a variable width. Both the case of a finite width (Wunderlich’s model) and the limit of small width (Sadowksky’s model) are recovered. The ribbon is assumed to remain developable as it deforms, and the direction of the generatrices is used as an internal variable. Internal constraints expressing inextensibility are identified. The equilibrium of the ribbon is found to be governed by an equation of equilibrium for the internal variable involving its second-gradient, by the classical Kirchhoff equations for thin rods, and by specific, thin-rod-like constitutive laws; this extends the results of Starostin and van der Heijden (Nat. Mater. 6(8):563–567, 2007) to a general ribbon model. Our equations are applicable in particular to ribbons having geodesic curvature, such as an annulus cut out in a piece of paper. Other examples of application are discussed. By making use of a material frame rather than the Frenet–Serret frame, the present work unifies the description of thin ribbons and thin rods.

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Fußnoten
1
For a closed developable ribbon, there may not exist any global planar configurations—see the example in Sect. 6.2. In that case, we introduce an arbitrary cut in the planar configuration of reference.
 
2
The vector q depends both on the unknown function η(⋅) and on the arc-length parameter S; hence the arguments shown in the left-hand side of Eq. (4).
 
3
Finding the conditions for a continuous curve in space to be closed is not a trivial problem and it may not have a close solution. This problem was posed by N.V. Efimov [12] and W. Frenchel [14]. Frenchel posed the problem asking what are the necessary and sufficient conditions of closure given the curvature and torsion of a space curve. By integrating the Frenet–Serret equations, the result yields an infinite series of integrals with no closed form [4].
 
4
The quantities (2w,t,n,b,τ,κ,η,g,M,F,M t ,M b ) in their notation must be identified with the quantities (w,d 3,−d 2,d 1,ω 3,ω 1,η,E,−M,−R,−M 3,−M 1) in our notation, respectively. The last four minus signs introduced here arise because they use a non-standard convention for the sign of the internal force R and moment M—by contrast, we use the usual convention that R and M measure the force and moment applied across an imaginary cut by the downstream part of the ribbon onto the upstream part, where ‘downstream’ and ‘upstream’ refer to the direction of increasing arc-length coordinate S.
 
Literatur
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Metadaten
Titel
“Wunderlich, Meet Kirchhoff”: A General and Unified Description of Elastic Ribbons and Thin Rods
verfasst von
Marcelo A. Dias
Basile Audoly
Publikationsdatum
01.04.2015
Verlag
Springer Netherlands
Erschienen in
Journal of Elasticity / Ausgabe 1-2/2015
Print ISSN: 0374-3535
Elektronische ISSN: 1573-2681
DOI
https://doi.org/10.1007/s10659-014-9487-0

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