Retakan supersonik melanggar batas kecepatan klasik – Dunia Fisika

Retakan supersonik melanggar batas kecepatan klasik – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 24 Agustus 2023 7

gambar deformasi material yang dibentuk oleh retakan tunggal yang merambat dengan cepat dan bergerak dari kiri ke kanan
Potret deformasi material yang dibentuk oleh satu retakan yang merambat dengan cepat dan bergerak dari kiri ke kanan. (Sumber: Meng Wang, Universitas Ibrani)

Retakan tarik pada bahan elastis yang rapuh dapat menyebar lebih cepat dari kecepatan suara – dan lebih cepat dari kemungkinan terjadinya retakan menurut hukum mekanika rekahan klasik. Mode patahan baru ini ditemukan oleh tim di Institut Fisika Racah di Universitas Ibrani Yerusalem, Israel, dan dapat membalikkan gambaran tradisional tentang apa yang terjadi ketika benda pecah.

Material gagal ketika retakan terbentuk dan menyebar di dalamnya. Mekanika rekahan klasik mengatakan bahwa retakan tarik ini harus bergerak sedemikian rupa sehingga menghilangkan energi elastis yang terbentuk dalam zona berbentuk titik di ujungnya. Salah satu konsekuensinya adalah retakan tarik klasik tidak dapat bergerak lebih cepat dari kecepatan gelombang Rayleigh, cR, yang terkait dengan kecepatan gelombang geser material dan seberapa besar deformasinya di bawah beban (rasio Poissonnya). Namun, Meng Wang, Song Lin Shi dan Jay Fineberg kini telah menemukan bahwa beberapa retakan tidak mematuhi aturan ini. Sebaliknya, mereka dengan mulus berakselerasi hingga mendekati kecepatan supersonik.

“Kami sangat gembira dengan penemuan ini,” kata Fineberg Dunia Fisika. “Keberadaan 'mode kegagalan supersonik' ini mempertanyakan asumsi fisik mendasar yang mendasari pemahaman kita saat ini tentang proses patahan. Bukan berarti kerangka kerja yang ada salah, namun hal ini menyiratkan bahwa tidak ada 'seperangkat aturan' unik yang memandu perpecahan.”

Retakan bergerak dengan sangat cepat dan tidak terduga

Dalam karya baru, yang dirinci dalam Ilmu, Fineberg dan rekan-rekannya mempelajari gel rapuh yang bersifat “neo-Hookean”, yang berarti bahwa gel tersebut memiliki hubungan nonlinier antara tegangan dan regangan yang diterapkan. Penggunaan bahan lunak seperti ini memperlambat kecepatan perambatan retakan sekitar tiga kali lipat, memungkinkan tim mengamati dinamika retakan dengan kamera cepat beresolusi tinggi sambil melakukan pengukuran real-time yang tepat pada bidang regangan di sekitar ujung retakan. Pengukuran seperti itu tidak mungkin dilakukan pada material seperti kaca, tegas Fineberg.

Penelitian tim sebelumnya menunjukkan bahwa retakan pada gel rapuh ini tidak berperilaku berbeda dari retakan pada bahan rapuh standar. Namun kali ini, ketika mereka meregangkan lembaran material secara merata dan membuat potongan kecil untuk membuat retakan awal, kecepatan retakan mencapai kecepatan yang belum pernah didokumentasikan sebelumnya, dengan retakan tercepat bergerak sekitar 30% lebih cepat dari kecepatan suara.

Pengamatan ini bertentangan dengan penelitian sebelumnya, baik teoritis maupun eksperimental, yang menunjukkan bahwa retakan tidak dapat merambat lebih cepat daripada suara. Hal ini karena kecepatan suara mencerminkan seberapa cepat energi mekanik dapat berpindah dari satu bagian material ke bagian material lainnya – sesuatu yang harus terjadi agar material tersebut dapat retak.

Para peneliti mengatakan pengamatan mereka harus menunjukkan adanya dinamika “supershear” yang diatur oleh prinsip-prinsip yang berbeda dari prinsip-prinsip yang memandu retakan klasik. Khususnya, pola patahan tarik yang baru tidak terjadi secara acak. Sebaliknya, hal ini dipicu pada tingkat regangan kritis yang bergantung pada material. Dampak seperti ini secara teori telah dikemukakan hampir dua dekade yang lalu oleh Michael Marder di University of Texas di Austin di AS, namun “karena sangat berbeda dengan gambaran patah tulang yang umum, maka hal ini tidak dianggap terlalu serius oleh banyak orang di lapangan,” jelas Fineberg. “Eksperimen baru ini secara tak terbantahkan menunjukkan bahwa pola patahan seperti itu bisa dan memang ada – dan dalam kondisi apa.”

Mode fraktur baru

Fineberg menambahkan bahwa dia dan rekan-rekannya mendapatkan hasil tersebut secara tidak sengaja ketika mencoba mempelajari fenomena yang sama sekali berbeda. “Tantangannya adalah, setelah kami meyakinkan diri sendiri bahwa efek yang awalnya tidak terduga ini adalah nyata, kami mencoba mendapatkan gambaran fisik tentang apa yang menentukan transisi ke jenis patah tulang baru ini,” katanya. “Ini melibatkan menghubungkan apa yang terjadi di wilayah tunggal dekat ujung retakan dengan perilaku makroskopis (skala besar).”

Tim tersebut kini berupaya untuk mengkarakterisasi modus fakta baru yang ditemukannya. “Secara paralel, kami akan membandingkan pengamatan kami dengan deskripsi teoritis asli Michael Marder dan teori serta perhitungan baru,” kata Fineberg. “Kami baru pada tahap awal memahami dampak yang telah kami amati.”

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika