Жидкости могут ломаться как твердые тела

На самых фундаментальных уровнях наука часто противоречит здравому смыслу. И новое открытие может быть самым неожиданным: жидкости могут ломаться. Статья в журнале Physical Review Letters под названием «Неожиданное поведение жидкостей, аналогичное разрушению твердых тел», сообщает об обнаружении того, что жидкости, если их растягивать с достаточной силой, могут трескаться как твердые объекты. Это открытие предполагает, что вязкость, или сопротивление жидкости потоку, может играть более значимую роль в механических свойствах жидкостей, чем считалось ранее. Более того, такое поведение, вероятно, относится к очень распространенным жидкостям, таким как вода или масло, что открывает новые возможности для манипуляций с жидкостями в различных областях.

«То, что мы наблюдали, было настолько неожиданным, что нам пришлось повторить эксперименты несколько раз, чтобы убедиться в реальности», — заявил в пресс-релизе Николя Альварес, один из авторов исследования и инженер из Университета Дрекселя. «Это в корне изменяет наше понимание динамики жидкостей».

Не проблема оборудования

Форма разрушений описывается как баланс между поверхностной энергией и высвобождением энергии упругости, что приводит к образованию новой поверхности. Проще говоря, трещины появляются, когда энергия, высвобождаемая материалом, превышает энергию, необходимую для создания новой поверхности. Это определяющая характеристика, которая «характерна для твердых тел», а не для жидкостей, которые «текут, а не деформируются под напряжением», согласно статье.

Исследователи изначально изучали поведение подобных смолистым углеводородным смесям. Они ожидали увидеть нечто известное, как «медленно вытягивающееся поведение», знакомое любому, кто добавлял ложку меда в чай, согласно заявлению. Затем они услышали шум.

«Разлом вызвал очень громкий щелчок, который на самом деле напугал меня», — вспомнила Тамира Лима, ведущий автор исследования и инженер из Университета Дрекселя. «Сначала я подумала, что оборудование сломалось, но вскоре поняла, что этот звук исходит от растягивающейся жидкости».

Исследование трещин

Согласно заявлению Лимы, шум привел команду к «совершенно новому научному исследованию». Как только они убедились, что источник шума не связан с поломкой оборудования, исследователи разработали эксперименты для проверки схожего поведения в жидкостях с той же вязкостью, что и углеводороды. Высокоскоростная камера записывала каждую сессию, предоставляя команде подробный обзор происходящего.

Удивительно, но жидкости показали устойчивое поведение растяжения до достижения «критической стрессовой точки», после чего они просто ломались пополам. Этот порог достигал до 2 мегапаскалей, что эквивалентно «напряжению, которое вы бы испытали, если бы сбросили мешок с кирпичами и его лента застряла на вашем пальце», пояснили они.

Эта схема сохранялась, даже когда изменения температуры изменяли вязкость, сообщает команда. Разлом жидкости оставался пропорционален 2 мегапаскалям, пока вязкость каждого образца не снижалась до уровня, при котором оборудование, имеющее ограниченную растягивающую способность, не могло больше его растянуть.

Точка разлома жидкости

Эти выводы ставят под сомнение консенсус, что разрыв является свойством упругости, или способности материала выдерживать стресс. До сих пор ученые считали, что упругость более или менее применима только к твердым телам или к жидкостям, охлажденным до такой степени, что они начали становиться твердыми. Но новое исследование показывает, что простые жидкости с достаточной вязкостью способны к «поведению разрушения, характерному для твердых тел», сказала Лима.

Далее исследователи планируют определить точные физические механизмы их неожиданного открытия. Одна из гипотез — кавитация, то есть быстрое образование и коллапс ударных волн пузырьков внутри жидкости. Наиболее важно то, что команда считает, что механизм достаточно универсален, чтобы применять его к другим простым жидкостям. Если это подтвердится, то это предложит новые перспективы для инженеров, занимающихся манипуляциями с жидкостями «во всем, от гидравлики до 3D-принтеров и кровеносных сосудов», сказано в заявлении команды.

Отзывы