Исследовательская группа из Университета Дрекселя совершила открытие, способное пересмотреть фундаментальные принципы механики жидкостей. Согласно их работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, обычные вязкие жидкости при определённых условиях способны демонстрировать свойства, характерные для твёрдых тел, а именно — разрушаться под воздействием растягивающего усилия.
Это наблюдение указывает на то, что вязкость, то есть внутреннее сопротивление жидкости течению, играет в её механическом поведении гораздо более значительную роль, чем предполагалось ранее. Подобное понимание открывает новые перспективы для управления жидкостями в разнообразных сферах — от гидравлических систем и технологий 3D-печати до промышленных процессов.
«Полученные нами результаты свидетельствуют: если растягивающее усилие, приложенное к единице площади, достигает определённого критического значения, простая текучая жидкость достигает так называемой «точки критического напряжения» и растрескивается, подобно твёрдому телу. Вероятно, это справедливо для всех простых жидкостей, включая столь распространённые, как вода и масло», — пояснила руководитель исследования Тамирес Лима, доктор философии и доцент Инженерного колледжа Дрекселя. По её словам, это открытие фундаментально меняет устоявшиеся представления о гидродинамике.
Случайное открытие, перевернувшее научное направление
Данное явление было зафиксировано совершенно неожиданно в ходе совместных экспериментов команды Лимы и специалистов компании ExxonMobil Technology & Engineering. Во время стандартного реологического теста, измеряющего силу, необходимую для приведения жидкости в течение, исследователи стали свидетелями аномального поведения. Вместо плавного растяжения и истечения, подобно мёду, смолоподобные жидкости внезапно разрывались.
«То, что мы увидели, было настолько неординарным, что нам пришлось многократно повторять эксперименты, чтобы убедиться в реальности происходящего», — отметил Николас Альварес, доктор философии, профессор Инженерного колледжа, в лаборатории которого проводилась часть исследований. «Как только мы подтвердили существование этого феномена, фокус нашей работы сместился в совершенно новое научное русло».
Применяя высокоскоростную камеру, учёные смогли запечатлеть поведение, типичное для хрупких материалов. При приложении нагрузки твёрдые тела удлиняются, а затем разрушаются; аналогичный процесс был впервые задокументирован для простых жидкостей, что ставит под сомнение традиционные границы между агрегатными состояниями вещества.
няются до тех пор, пока не учитываются критические точки напряжения, а затем внезапно разрушаются в результате процесса, известного как хрупкое разрушение. Согласно наблюдениям, такого рода разрушения никогда раньше не наблюдалось в простых жидкостях.
«Это было невероятно удачно», — сказал он. — сказала Лима. «Перелом вызвал очень громкий трек, который меня даже напугал. Сначала я подумал, что машина сломалась, но вскоре понял, что шум исходит от жидкостей для подачи».
Вязкость и критическая точка разрыва
Первые жидкости, проявившие такое поведение, представляли собой смолоподобные углеводородные смеси, которые разрушались при критическом напряжении в 2 мегапаскаля — примерно такую силу, которую вы могли бы почувствовать, если бы мешок для белья, наполненный 10 кирпичами, зацепился за ноготь во время падения.
Для дальнейшего изучения исследователи протестировали еще одну простую жидкость, олигомер стирола, с такой же вязкостью. Он сломался при тех же условиях обеспечения, что указывает на то, что вязкость является ключевым фактором в этом поведении при разрушении твердого тела, и позволяет предположить, что многие простые жидкости могут иметь одинаковую точку разрушения.
Затем команда скорректировала температуру, чтобы изменить вязкость. На каждом уровне они обнаружили различные скорости изменения, вызывающие перелом, всегда связанный с одним и тем же напряжением в 2 мегаПаскаля. При более низкой вязкости жидкостей невозможно было разрушить, поскольку испытательное оборудование не могло их растянуть достаточно быстро.
Оспаривание давних предположений
До сих пор разрушение традиции было свойством упругости, то есть необходимые материалы для сохранения и выдерживания нагрузки. Однако простые жидкости обычно не накапливают напряжение таким образом. Вместо этого они придерживаются приложения силы, а не сгибаются и не ломаются.
В большинстве случаев становится актуальным только тогда, когда охлаждение жидкости опускается ниже уровня «стекловывания», т.е. момент, когда он начинает вести себя как твердое тело. Наблюдение за жидкостью, которая все еще полностью находится в жидком состоянии, показывает, что разрушение не ограничивается упругими материалами.
«Хотя вязкоупругие и полимерные жидкости, такие как Oobleck или самодельная слизь, проявляют поведение при разрушении, подобно твердому, всегда считалось, что простые жидкости производят непрерывную деформацию при температурах выше стеклования и, следовательно, не разрушаются», — сказал он. — сказала Лима. «Показ того, что вязких эффектов достаточно, чтобы обеспечить разрушение обычного твердого тела, открывает миру новые проблемы для изучения в этих научных исследованиях».
Широкое и неожиданное явление
Исследователи также сравнили простую жидкость, олигомер стирола, с родственной полимерной жидкостью. Оба сломались в одной и той же критической точке напряжения, что позволяет предположить, что воздействие не является причиной возникновения простых жидкостей.
«Это говорит о том, что многие другие упругие жидкости также могут разрушаться при относительно низком критическом напряжении», — сказал он. — сказала Лима. «Это указывает на явление, которое относительно не зависит от химии и, возможно, от распространения жидкостей в широком кругу».
Что вызывает разрушение жидкостей
Команда планирует продолжить расследование, почему это происходит и, возможно, широко распространено. Ранние данные указывают на кавитацию — процесс, при котором крошечные пузырьки пара быстро и быстро разрушаются, создают ударные волны внутри жидкости — возможное объяснение.
«Теперь, когда мы обратились к этому непредвиденному поведению, следующим шагом является работа по полному пониманию того, почему это происходит и как такое поведение проявляется в других жидкостях», — сказал он. — сказала Лима. «Также будет интересно посмотреть, как это открытие можно применить для прядения волокон и других применений, в которых используются вязкие жидкости».