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纺织大师之一:小皮 精选

已有 3373 次阅读 2019-10-23 10:50 |系统分类:科研笔记

纺织大师之一:小皮


       纺织涉及人之穿衣保暖,是人生存于世之基本需求。在人类还未进化和高度文明发展至不需要穿衣的年代之前,纺织对于文明社会的重要性不言而喻,最起码大家肯定要穿着衣服才能出门吧。
       经常出差,登机安检时都要检查水杯等物件,以防液体炸弹。一个滑稽的想法出现:如果哪一天有纤维炸弹,炸弹会以衣服的形式出现,那如何安检和乘机?要分男女机场和男女飞机?全世界民航又要扩容大发展?打住,扯远了。
       衣食住行。衣在首位,但现在宣传纺织大师的声音远不如宣传“食”大师那样高强度和高密度。这不是我一介书生能考虑的事儿,唯一能做的就是给大家做点纺织科普。大家都喜欢听八卦故事,我顺便也把科普中这些人的日常生活八卦一下。斯为序言。
    
        小皮,中文教科书上的名字:皮尔斯,真名:Frederick Thomas Peirce,1896年12月7日出生于澳大利亚昆士兰南港,因患重症脑卒中,1950年4月11日在澳大利亚悉尼去世。

       主要贡献:纺织结构设计
       小皮本科在澳大利亚悉尼大学理学院学习(Faculty of Sciences),19岁获理学学士学位,获一等数理学科奖学金。小神童一枚。本来想继续参加本科荣誉学位学习,但小皮此时服兵役,成为一名澳大利亚陆军远征军信号兵,参加第一次世界大战,在巴勒斯坦受重伤。
      “一战”后,小皮远赴英国伦敦大学学院(University College, London)师从William Henry Bragg(老布拉格)学习X射线结晶学。1921年11月到位于英国曼彻斯特的不列颠棉花工业研究会(Shirley研究所)工作,研究纺织品结构、测试方法和性质,尤其着重于纺织品吸湿性质和织物结构研究。大名鼎鼎的Meredith教授(就是发表纤维拉伸性质牛文、出版纤维力学性质砖头般著作的那位小弟)后来在这个单位,在小皮领导下打工七年。此小弟后来还吹捧小皮:“有磁铁般的人格魅力、聪明、热情、能激发员工的创造性。”[1]厚颜啊!
       小皮上班期间,工作爱情两不误。娶了一位苏格兰高地的姑娘为妻。他们的三个女儿都是园艺和网球好手。
       1931年小皮的母校悉尼大学授予他博士学位,博士论文题目是“棉纤维结构与弹性”(Structure and Elastic Properties of the Cotton Hair)[注:小皮在研究中经常把“cotton fibers”称为“hairs”]。1944年美军军需部邀请小皮赴美国研究美军热带丛林作战服,并于1944年底接受美国北卡罗来纳州州立学院(North Carolina State College)邀请担任纺织学院纺织研究主任。也是现在著名的美国北卡罗来纳州立大学威尔逊纺织学院的学科创办者之一。
       小皮在美国北卡罗来纳州准备撸起袖子加油干的时候,天妒英才,患重症脑卒中,从半身不遂到后来完全失去从事学术活动能力,在久治不愈之后,家人陪伴小皮回到故乡澳大利亚,1950年4月11日在悉尼去世,年仅54岁。1950年5月27日国际著名科学期刊《自然》杂志发布纪念小皮的悼词 [Nature, 1950, 165(4204): 835-836][2]。为纪念小皮对纺织的巨大贡献,后人甚至一度提议把纤维比强度单位N/Tex称为Peirce,简写Pe,就像科学巨人Newton, Watt和Joule的名字都已用于科学基本量纲单位一样[1]。由于量纲的设立需要考虑国际性认可,这个提议后未能成功。
       小皮代表性工作是:(1)探测棉纤维结构;(2)纤维和纱线弱环理论;(3)最牛者:织物结构设计(皮尔斯之眼)。文献出处就不一一列举了。
       小皮在1937年提出的”皮尔斯之眼”模型影响深远[3],至今为止织物结构研究大部分工作都在该模型基础上进行,只需要对织物经、纬纱线截面形状作轻微改动,这是因为:(1)从纱线形状的改变可以推算织物的初始变形,如剪切、抗伸、弯曲等;(2)可以直接提供织物紧密程度(平面方向和厚度方向)信息,进一步可研究织物透气(汽)、光等能力。小皮假设组成织物的纱线是抗弯刚度很小以至可以忽略不计且又不能产生伸长的柔性体,截面总是呈圆形,得到如图1平纹织物组织单元模型。

皮尔斯之眼.jpg

图1 机织物Peirce几何结构模型 (皮尔斯之眼) [3]

  完整描述图1织物单元几何结构需要11个参数,小皮建立参数间相关联的7个方程,只要其中4个参数已知,就可解出其余7个参数,从而完整描述织物单元几何结构。为避免繁复计算,小皮提出减少未知数的几个近似关系式,Paintert [4]和Adams [5]用列线图分别提出了上述问题的图解简化算法,从计算结果则可确定纱线截面尺寸相等的平纹织物极限密度点(jamming point),Love[6]用图解法计算经、纬纱截面尺寸不等的平纹织物和非平纹织物极限密度点,Dickson[7]证实Love[6]的结果在实际生产中确定织物极限密度点的有效性。
       再次八卦:东华大学王善元教授的导师、美国麻省理工学院的Stanley Backer在他与小赫(这两位今后单独讲)合著“Structural mechanics of fibers, yarns and fabrics”第一卷(也是唯一的一卷)中进行考据,对小皮最牛的工作提出质疑[8]。说:早在1912年德国人Rudolf Haas[9]就研究织物在双轴向应力下经、纬纱线卷曲变形,并提出与小皮极为相似的织物基本结构模型,比小皮更进一步的是Rudolf Haas研究织物变形及首先就变形机理是纱线之间剪切作用作出定量讨论。但由于Rudolf Haas是在飞艇领域内研究,作为飞艇蒙皮材料的织物结构及变形机理,织物结构变形与气密性关系,研究结果以德文发表在航空学文献上,而不为纺织领域工作者所知,直到文献被译成英文后很久,才发现Rudolf Haas研究织物结构及剪切变形比小皮早且深入[10,11]。
      但小皮关于织物结构模型却被广泛应用,并被以后研究者Karl Weissenberg[12,13]、Joel Lindberg[14-16]、Tryggve Eeg-Olofsson[17, 18]、Percy Grosberg[19, 20]、Ron Postle[21, 22]、GAV Leaf[23-25]、潘宁[26, 27]等改进并提出许多织物结构力学分析研究方法。由此证明小皮还是牛!小皮是织物结构之父,命题成立!




参考文献

1 Dastoor PH, Toy FC. Frederick Thomas Peirce: His life and contributions to textile science. The Journal of The Textile Institute, 1986, 77(6): 426-436

2 Toy FC. Dr. F.T. Peirce. Nature, 1950 (May 27), 165 (4204): 835-836

3 Peirce FT. The geometry of cloth structure. Journal of the Textile Institute Transactions, 1937, 28(3): T45-T96

4 Paintert EV. Mechanics of elastic performance of textile materials: Part VIII: Graphical analysis of fabric geometry. Textile Research Journal, 1952, 22(3): 153-169

5 Adams DP, Schwarz ER, Backer S. The Relationship between the Structural Geometry of a Textile Fabric and Its Physical Properties: Part VI: Nomographic Solution of the Geometric Relationships in Cloth Geometry. Textile Research Journal, 1956, 26(9): 653-665

6 Love L. Graphical relationships in cloth geometry for plain, twill, and sateen weaves. Textile Research Journal, 1954, 24(12): 1073-1083

7 Dickson JB. Practical loom experience on weavability limits. Textile Research Journal, 1954, 24(12): 1083-1093

8 Hearle JWS, Grosberg P, Backer S. Structural mechanics of fibers, yarns and fabrics, Vol.1, Wiley-Interscience, New York, 1969, pp.39

9 Haas R, Dietzius A. The stretching of the fabric and the shape of the envelope in non-rigid balloons. Annual Report, Report 16 National Advisory Committee for Aeronautics, 1918: 149-271 (originally published in German as: Rudolf Haas und Alexander Dietzius, Stoffdehnung und Formaenderung der Huelle bei Prall-Luftschiffen. Untersuchungen im Luftschiffbau der Siemens-Schukkert-Werke, 1913, Luftfahrt und Wissenschaft, Hft. 4.)

10 Hearle JWS, Grosberg P, Backer S. Structural Mechanics of Fibers, Yarns and Fabrics, Vol.1, Wiley-Interscience, New York, 1969, pp.45

11 Postle R, Carnaby GA, Jong S de. The Mechanics of Wool Structures. Ellis Horwood Limited, Chichester, West Sussex, England,1988, pp.307

12 Weissenberg K. The use of a trellis model in the mechanics of homogeneous materials. Journal of the Textile Institute Transactions, 1949, 40(2): T89-T110

13 Chadwick GE, Shorter SA, Weissenberg K. A trellis model for the application and study of simple pulls in textile materials. Journal of the Textile Institute Transactions, 1949, 40(2): T111-T160

14 Lindberg J, Waesterberg L, Svenson R. Wool fabrics as garment construction materials. Journal of the Textile Institute Transactions, 1960, 51(12): T1475-T1493

15 Lindberg J, Behre B, Dahlberg B. Mechanical properties of textile fabrics, Part III: Shearing and buckling of various commercial fabrics. Textile Research Journal, 1961, 31(2): 99-122

16 Lindberg J. Dimensional changes in multicomponent systems of fabrics: a theoretical study. Textile Research Journal, 1961, 31(7): 664-669

17 Eeg-Olofsson T. Some mechanical properties of viscose rayon fabrics. Journal of the Textile Institute Transactions, 1959, 50(1): T112-T132

18 Eeg-Olofsson T, Bernskiöld A. Relation between Grab Strength and Strip Strength of Fabrics. Textile Research Journal, 1956, 26(6): 431-436

19 Grosberg P. Shape and structure in textiles. Journal of the Textile Institute Transactions, 1966, 57(9): T383-T394

20 Grosberg P. The mechanical properties of woven fabrics Part II: the bending of woven fabrics. Textile Research Journal, 1966, 36(3): 205-211

21 Postle R. Dimensional stability of plain-knitted fabrics. Journal of the Textile Institute, 1968, 59(2): 65-77

22 Postle R. The control of the shape and dimensions of knitted wool fabrics. Journal of the Textile Institute, 1969, 60(11): 461-477

23 Leaf GAV, Kandil KH. The initial load–extension behaviour of plain-woven fabrics. Journal of the Textile Institute, 1980, 71(1): 1-7

24 Leaf GAV, Sheta AMF. The initial shear modulus of plain-woven fabrics. Journal of the Textile Institute, 1984, 75(3): 157-163

25 Leaf GAV, Anandjiwala RD. A generalized model of plain woven fabric. Textile Research Journal, 1985, 55(2): 92-99

26 Bassett RJ, Postle R, Pan N. Experimental methods for measuring fabric mechanical properties: a review and analysis. Textile Research Journal, 1999, 69(11): 866-875

27 Pan N, Yoon MY. Behavior of yarn pullout from woven fabrics: theoretical and experimental. Textile Research Journal, 1993, 63(11): 629-637




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