A szuperszonikus repedések áttörik a klasszikus sebességkorlátozást – Fizika világa

A szuperszonikus repedések áttörik a klasszikus sebességkorlátozást – Fizika világa

Időbélyeg: 24. augusztus 2023. 7:00

egyetlen gyorsan terjedő, balról jobbra mozgó repedés által képzett anyagdeformációk képe
Pillanatkép a balról jobbra mozgó egyetlen gyorsan terjedő repedés által létrehozott anyagdeformációkról. (Jó: Meng Wang, Héber Egyetem)

A rideg rugalmas anyagokban a húzórepedések gyorsabban terjedhetnek, mint a hangsebesség – és gyorsabban, mint ahogy azt a klasszikus törésmechanika törvényei mondják. Az új törési módot a Jeruzsálemi Héber Egyetem Racah Fizikai Intézetének csapata fedezte fel, és megdöntheti a hagyományos képeket arról, hogy mi történik, ha a dolgok elromlanak.

Az anyagok tönkremennek, amikor repedések keletkeznek és terjednek bennük. A klasszikus törésmechanika azt mondja, hogy ezeknek a húzórepedéseknek úgy kell mozogniuk, hogy eloszlatják a rugalmas energiát, amely a csúcsaiknál ​​egy pontszerű zónában halmozódik fel. Ennek egyik következménye, hogy a klasszikus húzórepedés nem haladhat gyorsabban, mint a Rayleigh hullámsebesség, cR, ami összefügg az anyag nyíróhullám-sebességével és azzal, hogy terhelés hatására mennyire deformálódik (a Poisson-aránya). Azonban, Meng Wang, Songlin Shi és a Jay Fineberg most azt tapasztaltuk, hogy egyes repedések nem felelnek meg ennek a szabálynak. Ehelyett simán felgyorsulnak szinte szuperszonikus sebességre.

„Nagyon izgatottak vagyunk ettől a felfedezéstől” – mondja Fineberg Fizika Világa. Ezeknek a „szuperszonikus meghibásodási módoknak” a létezése megkérdőjelezi azokat az alapvető fizikai feltételezéseket, amelyek a törési folyamat jelenlegi megértését támasztják alá. Nem arról van szó, hogy a kialakított keretrendszer hibás, hanem azt jelenti, hogy nincs egyedi „szabályrendszer”, amely a törést irányítja.”

A repedések váratlanul gyorsan mozognak

Az új műben, amelyet részletesen a Tudomány, Fineberg és munkatársai olyan rideg géleket tanulmányoztak, amelyek „neo-hooke-iak”, vagyis nemlineáris kapcsolat van az alkalmazott stressz és a feszültség között. Az ilyen puha anyagok használata körülbelül három nagyságrenddel lelassítja a repedések terjedésének sebességét, lehetővé téve a csapat számára, hogy gyors, nagy felbontású kamerákkal megfigyelje a repedések dinamikáját, miközben precíz, valós idejű méréseket végez a repedéscsúcsokat körülvevő nyúlási mezőkön. Az ilyen mérések lehetetlenek lettek volna olyan anyagokban, mint az üveg, hangsúlyozza Fineberg.

A csapat korábbi munkája azt mutatta, hogy ezekben a rideg gélekben lévő repedések nem viselkednek másként, mint a szokásos rideg anyagok repedései. Ezúttal azonban, amikor egyenletesen megnyújtották az anyaglapokat, és egy kis vágást vezettek be, hogy kezdeti repedést hozzanak létre, a repedések sebessége korábban soha nem dokumentált sebességet ért el, és a leggyorsabb mozgás körülbelül 30%-kal gyorsabb volt, mint a hangsebesség.

Ezek a megfigyelések ellentmondanak a korábbi – elméleti és kísérleti – tanulmányoknak, amelyek azt mutatják, hogy a repedések nem terjedhetnek gyorsabban, mint a hang. Ennek az az oka, hogy a hangsebesség azt tükrözi, hogy a mechanikai energia milyen gyorsan tud mozogni az anyag egyik részéből a másikba – aminek meg kell történnie ahhoz, hogy megrepedjen.

A kutatók szerint megfigyeléseiknek tehát a „szupernyírási” dinamika jelenlétét kell jelezniük, amelyet más elvek szabályoznak, mint a klasszikus repedéseket. Figyelemre méltó, hogy a húzótörés új módja nem véletlenszerűen fordul elő. Ehelyett az anyagtól függő kritikus feszültségi szinteken aktiválódik. Az ilyen hatásokat elméletileg közel két évtizeddel ezelőtt javasolták Michael Marder a Texasi Egyetem, Austin az Egyesült Államokban, de „mivel annyira különböztek a törés elfogadott leírásától, sokan nem vették őket túl komolyan a területen” – magyarázza Fineberg. "Az új kísérletek cáfolhatatlanul bizonyítják, hogy ilyen törési módok létezhetnek és léteznek – és milyen feltételek mellett."

A törés új módja

Fineberg hozzáteszi, hogy ő és kollégái véletlenül jutottak az eredményeikre, miközben egy teljesen más jelenséget próbáltak tanulmányozni. „Miután meggyőződtünk arról, hogy ezek a kezdetben váratlan hatások valódiak, a kihívás az volt, hogy fizikai képet kapjunk arról, mi határozza meg az új típusú törésre való átmenetet” – mondja. "Ez azt jelenti, hogy a repedés csúcsa közelében lévő szinguláris régióban zajló eseményeket össze kell kapcsolni annak makroszkopikus (nagy léptékű) viselkedésével."

A csapat most azon dolgozik, hogy jellemezze a feltárt új gyártási módot. „Párhuzamosan összehasonlítjuk megfigyeléseinket Michael Marder eredeti elméleti leírásával és új elmélettel és számításokkal” – mondja Fineberg. "Még csak az elején járunk annak, hogy megértsük a megfigyelt hatásokat."

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa