Трещины, распространяющиеся быстрее скорости звука, бросают вызов законам физики

Недавно проведенный эксперимент с эластичными гелями показал, что трещины распространяются со скоростями, превышающими общепринятые пределы. Формируясь со скоростью, превышающей скорость звуковых и сдвиговых волн, эти так называемые "суперсдвиговые" трещины, по-видимому, не подчиняются законам физики. Это открытие может пролить свет на механизмы мощных землетрясений и, возможно, привести к разработке более эффективных стратегий их предотвращения.

Напряжения, приложенные к материалу под давлением, распространяются от вершины трещины по всей ее длине, когда потенциальная энергия превышает энергию разрушения материала. Согласно базовой механической модели, максимальная скорость распространения трещины обычно не превышает скорости волны Рэлея - типа волны, распространяющейся по поверхности твердых тел.

Однако эксперименты, проведенные в 1970-х годах на пластичных полимерах, показали, что под действием очень низких и средних напряжений трещины распространяются со сверхскоростями (превышающими скорость сдвига). Сдвиговые волны распространяются с несколько большей скоростью, чем волны Рэлея. Многие теоретики также предполагали такое явление. Однако эти результаты считались сюрреалистическими и не могли быть перенесены на реальные материалы и были временно отложены.

Тем не менее землетрясения, соответствующие этой скорости - так называемые сверхсдвиговые землетрясения - уже начали регистрироваться. Фактически базовая сейсмическая модель соответствует скорости разрыва, эквивалентной скорости распространения сдвиговых волн (или S-волн), т.е. колеблющейся со скоростью около 3 км/с. Сверхсдвиговые землетрясения разрушают эту модель, достигая скорости разрыва 5 км/с.

С тех пор возобновились эксперименты по расшифровке физических механизмов, лежащих в основе этого загадочного явления. Открытие, сделанное исследователями из Еврейского университета в Иерусалиме, похоже, подтверждает эту модель сверхсдвига. В частности, им удалось экспериментально подтвердить существование сверхсдвиговых трещин, которые превышают скорость сдвиговых волн и ускоряются до скорости волн расширения (6 км/с).

На 30% быстрее скорости звука

Чтобы выявить знаменитые сверхсдвиговые трещины, исследователи использовали пористый гидрогель, обычно применяемый для молекулярного анализа. Для каждого образца был вытравлен сетчатый рисунок, чтобы можно было легко наблюдать за распространением трещин. В том месте, где гель должен был начать трескаться при растяжении (кончик трещины), была сделана небольшая выемка.

После растяжения всех образцов и отслеживания трещин с помощью высокоскоростной камеры исследователи были чрезвычайно впечатлены скоростью их распространения. Самые быстрые из них распространялись со скоростью, на 30% превышающей скорость звука! Не протравливая надрез на вершине трещины на части образцов, они обнаружили, что некоторые из них по-прежнему превышают скорость звука на 15%. Еще более удивительным оказалось то, что динамика сверхсдвига подчинялась принципам, полностью отличающимся от динамики обычных трещин. "Этот неклассический режим разрушения при растяжении представляет собой фундаментальное изменение в нашем понимании процесса разрушения", — пишут они в своей статье.

По их мнению, одна из причин, по которой базовые уравнения не могут объяснить то, что происходило в их экспериментах, заключается в том, как гели сопротивляются растяжению в кончике трещины. Хотя теоретики и ранее предлагали жизнеспособные модели сверхсдвига, но такой модели, которая бы точно объясняла высокую скорость образования трещин в такой упругой среде, еще не было. Для других упругих объектов, таких как пружины, зависимость между растягивающей силой и их удлинением относительно проста. Однако это не относится к гелям, упругость которых может существенно изменяться в зависимости от взаимодействия и природы входящих в них молекул.

Понимание этого явления может пролить свет на механизмы, лежащие в основе сверхсдвиговых землетрясений. В перспективе это может облегчить их прогнозирование и минимизировать ущерб. В ближайшем будущем исследователи планируют распространить свои эксперименты на другие материалы и сотрудничать с теоретиками, ранее изучавшими сверхсдвиг.