Ученые раскрыли неожиданную физику ударов капель в дилатантных жидкостях
От кетчупа до зыбучих песков — неньютоновские жидкости давно очаровывают и озадачивают ученых. В отличие от обычных жидкостей, их свойства текучести меняются в зависимости от приложенной силы, однако точные механизмы, управляющие этим поведением, остаются плохо изученными, особенно в условиях быстрой деформации. Теперь группа исследователей под руководством Сяна Чэна из Университета Миннесоты использовала удары капель для детального изучения этой динамики, обнаружив неожиданные особенности, которые до сих пор ускользали от физиков.
В то время как обычные ньютоновские жидкости сохраняют постоянную вязкость независимо от действующих на них сил, неньютоновские жидкости ведут себя совершенно иначе: их вязкость может увеличиваться или уменьшаться в ответ на напряжение. Классическим примером является дилатантная жидкость (или жидкость с сдвиговым загустением), которую можно легко приготовить, смешав кукурузный крахмал с водой. При достаточно высокой концентрации такие суспензии могут почти полностью переходить в твердое состояние при внезапном ударе, позволяя человеку даже пробежать по ним, не утонув.
В своем исследовании команда Чэна приготовила водные суспензии кукурузного крахмала с концентрацией от 30% до 43% по объему, охватывая режимы от умеренного до выраженного загустения под действием сдвига. Затем они сбрасывали миллиметровые капли этих жидкостей на металлическую пластину на высоких скоростях, вызывая экстремальный эффект загустения. Используя высокоскоростную камеру, ученые зафиксировали динамику растекания каждой капли после удара. Одновременно они измеряли силу, воздействующую на пластину во время каждого удара, которая оказывается выше для твердых тел по сравнению с жидкостями, движущимися с той же скоростью. Вместе эти измерения позволили выявить динамические особенности, которые были невидимы для предыдущих исследований.
В общей сложности команда Чэна определила три различных режима удара. При более низких концентрациях крахмала капли вели себя как обычные жидкости, где динамика удара определяется исключительно инерцией. При более высоких концентрациях и более низких скоростях удара капли вели себя скорее как твердые сферы, что соответствует ожидаемой реакции сдвигового блокирования. Неожиданность проявилась в третьем режиме: при высоких концентрациях и высоких скоростях удара, где скорости сдвига были наибольшими, капли изначально реагировали как жидкость, переходя к твердообразному поведению только позже, когда скорость сдвига падала в процессе растекания. Этот обратный переход противоречит прежним предположениям о том, что более сильное загустение под действием сдвига вызывает более твердообразную реакцию при более высоких скоростях сдвига.
Чтобы объяснить все три режима, команда Чэна разработала объединенную модель, сочетающую классическую теорию удара капли с механизмом, описывающим, как вызванное сдвигом расширение (дилатансия) выталкивает жидкость из пористой сетки кукурузного крахмала. Создав эту теоретическую основу, исследователи предложили более полную картину того, как дилатантные жидкости реагируют на сверхбыструю деформацию. Эта работа может иметь значение для широкого круга применений, где материалы испытывают внезапные высокоскоростные нагрузки: от бронежилетов до мягкой робототехники.
Результаты работы в журнале Physical Review Letters.