Supersoniske revner bryder den klassiske hastighedsgrænse – Physics World

Supersoniske revner bryder den klassiske hastighedsgrænse – Physics World

Tidsstempel: 24. august 2023 kl. 7

billede af materialedeformationer dannet af en enkelt hurtigt udbredende revne, der bevæger sig fra venstre mod højre
Snapshot af materialedeformationerne dannet af en enkelt hurtigt udbredende revne, der bevæger sig fra venstre mod højre. (Med høflighed: Meng Wang, Hebrew University)

Trækrevner i sprøde elastiske materialer kan spredes hurtigere end lydens hastighed - og hurtigere end den klassiske brudmekaniks love siger er muligt. Den nye frakturtilstand blev opdaget af et hold ved Racah Institute of Physics ved det hebraiske universitet i Jerusalem, Israel, og kunne vælte traditionelle billeder af, hvad der sker, når tingene går i stykker.

Materialer svigter, når der dannes revner og forplanter sig i dem. Klassisk brudmekanik siger, at disse trækrevner skal bevæge sig på en måde, der spreder den elastiske energi, der opbygges i en punktlignende zone ved deres spidser. En konsekvens af dette er, at en klassisk trækrevne ikke kan rejse hurtigere end Rayleigh-bølgehastigheden, c.R, som er relateret til materialets forskydningsbølgehastighed og hvor meget det deformeres under en belastning (dets Poisson-forhold). Imidlertid, Meng Wang, Songlin Shi , Jay Fineberg har nu fundet ud af, at nogle revner ikke overholder denne regel. I stedet accelererer de jævnt til næsten supersoniske hastigheder.

"Vi er ret begejstrede for denne opdagelse," fortæller Fineberg Fysik verden. "Selve eksistensen af ​​disse 'supersoniske fejltilstande' sætter spørgsmålstegn ved de grundlæggende fysiske antagelser, der understøtter vores nuværende forståelse af brudprocessen. Det er ikke sådan, at de etablerede rammer er forkerte, men det antyder, at der ikke er et unikt 'regelsæt', der styrer brud.”

Revner bevæger sig uventet hurtigt

I det nye værk, som er detaljeret i Videnskab, Fineberg og hans kolleger studerede skøre geler, der er "neo-Hookean", hvilket betyder, at de har et ikke-lineært forhold mellem påført stress og belastning. Brug af bløde materialer som disse sænker hastigheden af ​​sprækkeudbredelsen med omkring tre størrelsesordener, hvilket gør det muligt for holdet at observere revnedynamikken med hurtige kameraer med høj opløsning, mens de foretager præcise realtidsmålinger på belastningsfelterne omkring revnespidserne. Sådanne målinger ville have været umulige i et materiale som glas, understreger Fineberg.

Holdets tidligere arbejde havde indikeret, at revner i disse skøre geler ikke opfører sig anderledes end revner i standard skøre materialer. Men denne gang, da de ensartet strakte ark af materialet og introducerede et lille snit for at skabe en indledende revne, ramte revnernes hastigheder aldrig tidligere dokumenterede hastigheder, hvor de hurtigste bevægede sig omkring 30 % hurtigere end lydens hastighed.

Disse observationer modsiger tidligere undersøgelser, både teoretiske og eksperimentelle, der viser, at revner ikke kan forplante sig hurtigere end lyd. Dette skyldes, at lydhastigheden afspejler, hvor hurtigt mekanisk energi kan bevæge sig fra en del af et materiale til en anden – noget der skal opstå, for at det kan revne.

Forskerne siger, at deres observationer derfor må indikere tilstedeværelsen af ​​"superhear"-dynamikker, der er styret af andre principper end dem, der styrer klassiske revner. Det er bemærkelsesværdigt, at den nye tilstand for trækbrud ikke forekommer tilfældigt. I stedet udløses den ved kritiske belastningsniveauer, der afhænger af materialet. Sådanne effekter var teoretisk blevet foreslået for næsten to årtier siden af Michael Marder ved University of Texas i Austin i USA, men "da de var så forskellige fra den accepterede beskrivelse af fraktur, blev de ikke taget for alvorligt af mange i feltet," forklarer Fineberg. "De nye eksperimenter viser uigendriveligt, at sådanne frakturformer både kan og eksisterer - og under hvilke forhold."

En ny brudform

Fineberg tilføjer, at han og hans kolleger kom til deres resultater ved et uheld, mens de forsøgte at studere et helt andet fænomen. "Udfordringen var, efter at vi havde overbevist os selv om, at disse oprindeligt uventede effekter var reelle, at forsøge at få et fysisk billede af, hvad der bestemmer overgangen til denne nye type brud," siger han. "Dette involverer at relatere, hvad der sker i det enestående område nær revnespidsen, til dets makroskopiske (storskala) adfærd."

Holdet arbejder nu på at karakterisere den nye fabrikationsform, som det har fundet frem. "Samtidig vil vi sammenligne vores observationer med både Michael Marders originale teoretiske beskrivelse og med ny teori og beregninger," siger Fineberg. "Vi er kun lige i begyndelsen af ​​at forstå de effekter, vi har observeret."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden