Ученые обнаружили, что жидкости могут разрушаться, как твердые тела
Как только вы думаете, что разобрались в том, как устроена Вселенная, физика снова удивляет вас. Исследователи обнаружили, что простые жидкости могут иметь точку разрушения, после которой они внезапно разрушаются, как твердые тела.
Это открытие имеет важное значение для механики жидкостей. Если жидкости могут разрываться, а также растягиваться и течь, это имеет последствия во всем: от технологии 3D-печати до биологических систем внутри нашего тела.
Неожиданное открытие было сделано исследователями из Университета Дрекселя в США и ExxonMobil, которые проводили эксперименты, чтобы увидеть, как вязкие жидкости реагируют на сильные силы. Сначала они думали, что лабораторное оборудование сломалось.
«Из-за перелома раздался очень громкий треск, который меня даже напугал», — говорит инженер-химик Тамирес Лима из Университета Дрекселя.
Команда утверждает, что повторила эксперименты несколько раз, чтобы гарантировать достоверность результатов.
«То, что мы наблюдали, было настолько неожиданным», — говорит инженер-химик Университета Дрекселя Николас Альварес.
«Как только мы подтвердили это явление, исследование превратилось в совершенно другое научное направление».
В установке использовались жидкости. помещенный между двумя металлическими пластинами, наблюдаемый высокоскоростной камерой и к которому приложены различные силы. Первый щелчок произошел, когда жидкость тянули с силой, сравнимой с силой мешка с кирпичами, подвешенного на участке размером с ноготь.
Это было в смолоподобной смеси углеводородов, и та же самая точка разрушения впоследствии была обнаружена в другой жидкости, олигомере стирола. Эта тоже была густой и похожей на смолу, и исследователи считают, что вязкость (как течет жидкость) важна.
В более густой и вязкой жидкости напряжение накапливается по-разному, чем в более жидкой и менее вязкой. Судя по этим экспериментам, более густые жидкости могут треснуть, даже если их тянуть медленнее, но величина необходимой силы, по-видимому, одинакова, независимо от используемой вязкости.
Хотя было известно, что жидкости могут растрескиваться, если их достаточно охладить или перемешать для достижения нужных свойств, это новое открытие. Исследователи считают, что это, вероятно, применимо к большему количеству жидкостей, помимо тех, которые были протестированы.
«Наши результаты показывают, что, если разорвать с достаточной силой на единицу площади, простая жидкость — жидкость, которая течет — достигнет того, что мы называем точкой «критического напряжения», когда она фактически разрушается, как твердое тело», — говорит Лима.
«И это, вероятно, верно для всех простых жидкостей, включая распространенные примеры, такие как вода и масло».
Одной из следующих областей для изучения будет механика почему это происходит. Команда обнаружила, что жидкие трещины образовывались очень быстро, как только они начались, со скоростью 500–1500 метров в секунду.
Скорость разрушения соответствует кавитации — явлению, которое теоретически обсуждалось десятилетиями. Гипотеза состоит в том, что достаточное давление на жидкость приведет к образованию крошечного вакуумного пузыря внутри нее, который затем поможет разорвать жидкость на части.
Как показали эти эксперименты, процесс происходит настолько быстро, что его будет сложно хорошо рассмотреть. Теперь, когда есть убедительные доказательства того, что это происходит, ученым есть над чем работать.
Следующим предстоит исследовать еще кое-что: как эти трещины могут возникать в других жидкостях и за пределами очень точных лабораторных условий. Струйная печать и мягкая робототехника — два реальных применения, упомянутые исследователями, где эти открытия будут полезны.
Жидкости продолжают раскрывать скрытые свойства и внутреннюю физику по мере совершенствования научных методов и исследовательских инструментов – и вполне вероятно, что еще многое предстоит открыть.
По теме: Дикий эксперимент превращает жидкости в удивительные квадратные и шестиугольные формы
«Теперь, когда мы сообщили об этом непредвиденном поведении, Работа по полному пониманию того, почему это происходит и как такое поведение проявляется в других жидкостях, является важным следующим шагом», — говорит Лима.
«Также будет интересно посмотреть, как это открытие можно применить для прядения волокон и других приложений, в которых используются вязкие жидкости».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
