Ученые обнаружили, что жидкости могут внезапно разрываться как твердые тела под действием критического напряжения
Исследователи из Университета Дрекселя совершили открытие, которое может изменить наше понимание механики жидкостей. Оказывается, вязкие жидкости могут внезапно разрываться при растяжении с достаточной силой, демонстрируя поведение, которое ранее считалось невозможным.
В отличие от твердых тел, которые растягиваются и в конечном итоге ломаются, считалось, что жидкости не имеют точки разрыва. Однако новое исследование бросает вызов этому устоявшемуся убеждению. Тамирес Лима, доктор философии, доцент-исследователь Инженерного колледжа Дрекселя, которая руководила исследованием, объясняет, что если достаточно сильно растянуть простую жидкость, которая обычно течет, то она достигнет так называемой точки «критического напряжения», при котором действительно разрушится подобно твердому телу.
Примечательно, что команда также обнаружила, что «щелчок» жидкости сопровождается внезапным звуком, похожим на треск ломающегося твердого материала. Это явление стало полной неожиданностью для ученых. Николас Альварес, доктор философии, профессор Инженерного колледжа, в чьей лаборатории проводилось исследование, признался, что наблюдение было настолько неожиданным, что эксперименты пришлось повторить несколько раз, чтобы убедиться в реальности эффекта. После подтверждения феномена, по его словам, исследование превратилось в совершенно иную научную задачу.
Сама Лима описала это событие как невероятно удивительное зрелище. Она призналась, что треск при разрушении жидкости был очень громким и напугал ее. Сначала она подумала, что сломалась машина, но вскоре поняла, что звук исходит от растягиваемой жидкости.
Ключевым элементом этого открытия является то, что жидкости ломаются таким образом только при растяжении со скоростью, которая не позволяет им «стекать» от напряжения. Как и в случае с твердыми телами, это дает достаточно времени для накопления напряжения, достаточного для внезапного образования трещины. В ходе экспериментов команда выяснила, что жидкости склонны разрываться при напряжении около 2 мегапаскалей. Точное значение зависит от вязкости жидкости: чем выше вязкость, тем легче, по-видимому, происходит разрыв. По словам Лимы, это, вероятно, верно для всех простых жидкостей, включая такие распространенные примеры, как вода и масло, что фундаментально меняет наше понимание гидродинамики.
Она пояснила, что хотя вязкоупругие и полимерные жидкости, такие как смесь кукурузного крахмала с водой или самодельный слайм, уже демонстрировали поведение разрушения, характерное для твердых тел, всегда считалось, что простые жидкости при температурах выше температуры стеклования подвергаются непрерывной деформации и поэтому не могут разрушаться. Демонстрация того, что вязких эффектов достаточно для возникновения твердотельного разрушения, открывает целый мир новых вопросов для изучения в этой области науки.
Это открытие имеет и практическое значение для реального мира. Лучшее понимание пределов разрушения жидкостей может принести пользу 3D-печати, в которой используются жидкие полимеры, а также производству волокон, где жидкости растягиваются в нити. В медицинских науках можно будет исследовать, разрушается ли при определенных условиях кровь, и найти способы избежать этого. Еще одной интересной областью для изучения может стать гидравлика. Лима добавляет, что это открытие предполагает, что многие другие упругие жидкости также могут разрываться при относительно схожем критическом напряжении, что указывает на явление, которое относительно независимо от химического состава и, возможно, может быть обобщено для широкого круга жидкостей.
Еще одной областью для изучения может стать кавитация от лодочных или подводных винтов, насосов и некоторых гидролокационных систем. В этих системах образуются крошечные пузырьки, которые затем violently схлопываются, повреждая металлы, создавая ударные волны и шум. Более глубокое понимание физики этого процесса, возможно, позволит в будущем ограничить или даже полностью устранить проблемы кавитации. Лима заключила, что теперь, когда это неожиданное поведение задокументировано, следующим важным шагом станет полное понимание того, почему это происходит и как это поведение проявляется в других жидкостях. Она также отметила, что будет интересно посмотреть, как это открытие может быть применено для помощи в прядении волокон и других приложениях, использующих вязкие жидкости.
Ознакомиться с можно в журнале Physical Review Letters.