Mokslininkų atradimas: neniutoninių skysčių elgsena smūgio metu ne tokia, kaip manyta
Iš pirmo žvilgsnio lašo smūgis į paviršių atrodo visiškai kasdieniškas reiškinys: lietus į langą, ant stalviršio išsiliejusi kava, dažai ant audinio ar rašalas ant popieriaus. Tačiau pradėjus šį momentą matuoti dideliu tikslumu paaiškėja, kad per trumpą sekundės dalį vyksta gerokai daugiau, nei mato akis. Būtent tai išsamiai tyrė mokslininkai, nagrinėję, kaip elgiasi vadinamieji šlyties poveikyje tirštėjantys skysčiai – medžiagos, kurios staiga veikiamos stiprios jėgos gali akimirksniu imti elgtis beveik kaip kietas kūnas.
Šios medžiagos priklauso neniutoninių skysčių grupei. Skirtingai nei įprasti skysčiai, jie neturi vienos pastovios klampos – jų savybės priklauso nuo to, kaip stipriai ir kaip greitai jie deformuojami. Klasikinis pavyzdys – kukurūzų krakmolo ir vandens mišinys: lėtai judinamas jis teka, tačiau staigiai trinktelėjus gali pasirodyti beveik kietas. Būtent tokio tipo suspensijomis ir buvo remiamasi naujuose eksperimentuose.
Tyrėjai nustatė netikėtą dalyką: esant dideliam dalelių kiekiui ir labai greitam smūgiui lašas ne iš karto ima elgtis „kietai“. Priešingai – pirmoji reakcija labiau primena įprasto skysčio elgseną, o tik vėliau, lašui išsiplečiant paviršiumi ir mažėjant šlyties greičiui, atsiranda standėjimas. Tai prieštarauja intuityviai logikai, jog kuo greitesnė ir stipresnė deformacija, tuo akimirksniu turėtų įvykti „sukietėjimas“.
Lašas kaip miniatiūrinė smūgių laboratorija
Minesotos universiteto komanda paruošė kukurūzų krakmolo suspensijas vandenyje, kurių koncentracija siekė nuo 30 iki 43 proc. tūrio. Šis intervalas apima tiek silpnesnį tirštėjimą, tiek ryškesnį perėjimą į būseną, artimą tėkmės „užsiblokavimui“. Tuomet milimetrinio dydžio lašai buvo metami ant metalinės plokštelės skirtingais greičiais, o procesas filmuojamas didelės spartos kamera ir kartu matuojama smūgio jėga.
Šis aspektas svarbus todėl, kad ankstesniuose darbuose dažniausiai buvo vertinama, kaip atrodo lašo forma, o ne tai, kokias jėgas realiai patiria paviršius susidūrimo metu. Mokslininkų teigimu, greito vaizdinimo ir tiesioginio jėgos matavimo derinys leido pamatyti dinaminius procesus, kurie anksčiau tiesiog „pasislėpdavo“ matavimo triukšme.
Rezultatai pasirodė esantys aiškesni, nei galima tikėtis iš kaprizingu elgesiu garsėjančių neniutoninių medžiagų. Tyrėjai išskyrė tris susidūrimo režimus. Esant mažesnei koncentracijai, lašai elgėsi kaip įprasti skysčiai – procesą daugiausia valdė inercija. Esant didesnei koncentracijai ir mažesniam greičiui, reakcija priminė minkšto kietojo kūno smūgį, kaip ir tikimasi esant šlyties sukeliamam „užsikirtimui“ (tėkmės blokavimui). Tačiau labiausiai intriguojantis buvo trečiasis atvejis: didelė koncentracija ir didelis greitis. Tuomet lašas pirmiausia elgėsi „skystesnis“, o tik po to pradėdavo standėti.
Didžiausia staigmena – tada, kai viskas turėjo kietėti
Nors iš pirmo žvilgsnio tai gali atrodyti kaip nedidelis neatitikimas intuicijai, iš tiesų tai keičia supratimą apie šlyties poveikyje tirštėjančius skysčius. Įprasta manyti, kad didėjant deformacijos greičiui medžiaga vis sparčiau pereina į „kietesnę“ būseną. Vis dėlto eksperimentai rodo, kad itin trumpalaikės ir itin staigios deformacijos atveju šis perėjimas gali būti vėluojantis.
Mokslininkai tai aiškina inercijos ir dilatacijos sąveika. Dilatacija – tai tankiai supakuotų dalelių polinkis, jas šlyčiai veikiant, „išsipūsti“ ir reikalauti daugiau vietos. Kad dalelės galėtų persitvarkyti, skystis tarp jų turi tekėti. Būtent šis skysčio judėjimas per porėtą dalelių tinklą tampa lemiamu veiksniu. Komanda sujungė klasikinę lašo smūgio teoriją su Reynolds–Darcy mechanizmu, aprašančiu skysčio tėkmę, kai jis išspaudžiamas iš besiplečiančios struktūros. Taip buvo sukurtas bendras modelis, paaiškinantis visus tris stebėtus režimus.
Šį reiškinį galima palyginti su minia prie siauro išėjimo: atrodo, kad kuo didesnis skubėjimas, tuo greičiau turėtų susidaryti spūstis. Tačiau trumpą akimirką didelis impulsas dar gali „prastumti“ judėjimą, kol sistema nespėja visiškai užsikirsti. Tik vėliau, kai vietiniai srautai ir geometrija padaro savo, ima vyrauti užsiblokavimo efektas. Panašų „pavėluotą standėjimą“ tyrėjai ir užfiksavo didelės koncentracijos, dideliu greičiu krentančiuose lašuose.
Tai svarbu ne vien dėl krakmolo ir vandens
Nors eksperimentas gali pasirodyti kaip įdomi minkštosios medžiagos fizikos demonstracija, jo reikšmė platesnė. Mokslininkai atkreipia dėmesį, kad supratimas, kaip tokios medžiagos elgiasi staigių ir greitų apkrovų metu, aktualus srityse, kur svarbi smūgių apsauga, greita deformacija arba sudėtingų skysčių tikslus dozavimas.
Jei medžiaga vieną akimirką gali elgtis kaip skystis, o kitą – kaip gerokai standesnė terpė, tai atveria galimybių ją pritaikyti ten, kur reikia greitai persijungiančių savybių: elastingumo ir atsparumo. Tačiau be tikslaus fizikinio paaiškinimo tokios idėjos lengvai virsta spėlionėmis. Šis tyrimas pateikia aiškesnį aprašą, kada ir kodėl įvyksta perėjimas.
Šaltinis: „Phys“
