Crepe supersoniche infrangono il limite di velocità classico – Physics World

Crepe supersoniche infrangono il limite di velocità classico – Physics World

Timestamp: 24 agosto 2023 7:00

immagine delle deformazioni del materiale formate da una singola fessura che si propaga rapidamente da sinistra a destra
Istantanea delle deformazioni del materiale formate da una singola fessura che si propaga rapidamente da sinistra a destra. (Per gentile concessione: Meng Wang, Università Ebraica)

Le crepe da trazione nei materiali elastici fragili possono diffondersi più velocemente della velocità del suono – e più velocemente di quanto previsto dalle leggi della meccanica classica della frattura. La nuova modalità di frattura è stata scoperta da un team del Racah Institute of Physics presso l’Università Ebraica di Gerusalemme, in Israele, e potrebbe ribaltare le immagini tradizionali di ciò che accade quando le cose si rompono.

I materiali si deteriorano quando si formano delle crepe che si propagano al loro interno. La meccanica classica della frattura afferma che queste crepe da trazione dovrebbero muoversi in modo tale da dissipare l’energia elastica che si accumula all’interno di una zona puntiforme alle loro estremità. Una conseguenza di ciò è che una classica cricca da trazione non può viaggiare più velocemente della velocità dell'onda di Rayleigh, cR, che è correlato alla velocità delle onde di taglio del materiale e a quanto si deforma sotto un carico (il suo rapporto di Poisson). Tuttavia, Meng Wang, Songlin Shi ed Jay Fineberg ora ho scoperto che alcune crepe non obbediscono a questa regola. Invece, accelerano dolcemente fino a velocità quasi supersoniche.

"Siamo piuttosto entusiasti di questa scoperta", dice Fineberg Mondo della fisica. “L’esistenza stessa di queste “modalità di cedimento supersonico” mette in discussione i presupposti fisici fondamentali su cui si basa la nostra attuale comprensione del processo di frattura. Non è che il quadro stabilito sia sbagliato, ma implica che non esiste un “insieme di regole” unico che guida la frattura”.

Le crepe si muovono in modo inaspettatamente rapido

Nel nuovo lavoro, che è dettagliato in Scienze, Fineberg e i suoi colleghi hanno studiato gel fragili che sono “neo-Hookean”, nel senso che hanno una relazione non lineare tra stress applicato e deformazione. L’uso di materiali morbidi come questi rallenta la velocità di propagazione delle cricche di circa tre ordini di grandezza, consentendo al team di osservare la dinamica delle cricche con telecamere veloci e ad alta risoluzione, effettuando misurazioni precise in tempo reale sui campi di deformazione che circondano le punte delle cricche. Tali misurazioni sarebbero state impossibili in un materiale come il vetro, sottolinea Fineberg.

Il lavoro precedente del team aveva indicato che le crepe in questi gel fragili non si comportano in modo diverso dalle crepe nei materiali fragili standard. Questa volta, tuttavia, quando hanno allungato uniformemente i fogli di materiale e introdotto un piccolo taglio per creare una fessura iniziale, le velocità delle crepe hanno raggiunto velocità mai documentate in precedenza, con quella più veloce che si muoveva circa il 30% più velocemente della velocità del suono.

Queste osservazioni contraddicono studi precedenti, sia teorici che sperimentali, che dimostrano che le crepe non possono propagarsi più velocemente del suono. Questo perché la velocità del suono riflette la velocità con cui l’energia meccanica può spostarsi da una parte all’altra di un materiale, cosa che deve verificarsi affinché si rompa.

I ricercatori affermano che le loro osservazioni devono quindi indicare la presenza di dinamiche di “super taglio” che sono governate da principi diversi rispetto a quelli che guidano le cricche classiche. In particolare, la nuova modalità di frattura da trazione non si verifica in modo casuale. Viene invece attivato a livelli di deformazione critici che dipendono dal materiale. Tali effetti erano stati suggeriti teoricamente quasi due decenni fa da Michele Marder alla Università del Texas a Austin negli Stati Uniti, ma “poiché erano così diversi dalla descrizione accettata della frattura, non furono presi troppo sul serio da molti operatori del settore”, spiega Fineberg. “I nuovi esperimenti dimostrano inconfutabilmente che tali modalità di frattura possono esistere ed esistono – e in quali condizioni”.

Una nuova modalità di frattura

Fineberg aggiunge che lui e i suoi colleghi sono arrivati ​​ai risultati per caso mentre cercavano di studiare un fenomeno completamente diverso. "La sfida era, dopo esserci convinti che questi effetti inizialmente inaspettati fossero reali, cercare di ottenere un quadro fisico di ciò che determina il passaggio a questo nuovo tipo di frattura", dice. “Ciò implica mettere in relazione ciò che accade nella singolare regione vicino all’apice della fessura con il suo comportamento macroscopico (su larga scala).”

Il team sta ora lavorando per caratterizzare la nuova modalità di fratturazione portata alla luce. "Parallelamente confronteremo le nostre osservazioni sia con la descrizione teorica originale di Michael Marder che con nuove teorie e calcoli", afferma Fineberg. “Siamo solo all’inizio della comprensione degli effetti che abbiamo osservato”.

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