5 Minutės
Kelerius metus skysčiai atrodė kaip lengvoji fizikos dalis. Jie teka, plinta, tempiasi. Jie, bent jau kasdieniame supratime, neskyla. Tačiau ši prielaida ką tik buvo sugriauta.
Tyrėjai dabar parodė, kad kai kurie paprasti skysčiai gali pasiekti lūžio tašką ir staiga plyšti, panašiai kaip kietieji kūnai esant įtempiui. Šis atradimas atveria naują skysčių mechanikos skyrių, kuriame riba tarp tekėjimo ir lūžio pasirodo esanti plonesnė, nei manyta.
Netikėtas plyšimas
Atrasta tai, ką išsiaiškino Drexelo universiteto mokslininkų eksperimentai, vykdyti kartu su ExxonMobil. Jų tikslas buvo paprastas: stebėti, kaip labai klampūs skysčiai elgiasi esant stipriam poveikiui. Vietoje to įvyko pribloškiantis įtrūkis ir garsus spragsėjimas, kuris, pagal pačių tyrėjų pasakojimus, privertė manyti, kad įranga sugedo.
„Lūžis sukėlė labai garsų spragsėjimą, kuris iš tiesų mane išgąsdino“, sakė Drexelo universiteto chemijos inžinierė Thamires Lima. Komanda kelis kartus pakartojo bandymus, tikrindama ir vėl tikrindama įrangą, kol priėmė, kad lūžį sukėlė pats skystis.
Toks atsargumas turėjo reikšmės. Moksluose keistas rezultatas dažnai atskleidžia ką nors tikro. Kai tyrėjai patvirtino efektą, jie suprato, kad ne instrumentas yra kaltas. Jie atrado fizikinį reiškinį, kuris anksčiau nebuvo tinkamai užfiksuotas.
Kaip veikė eksperimentas
Įranga principu buvo paprasta, bet praktiškai reikalaujanti preciziškumo. Skysčių mėginiai buvo dedami tarp dviejų metalinių plokščių ir veikiami didėjančia jėga, kol aukšto greičio kamera fiksavo įvykius. Tokiose sąlygose vienas deguto primenantis angliavandenilių mišinys staiga plyšo, kai jį traukė jėga, sutelkta per labai mažą plotą, maždaug tokią, kokią sukurtų sunkus maišas kabantis ant nagą siekiančio taško.
Panašus elgesys vėliau pasirodė styreno oligomeryje, kitame tirštame, klampiame skystyje turinčiame panašią konsistenciją. Šis pakartojimas buvo esminis. Jis rodė, kad efektas nėra vienkartinė anomalija, o tikras mechaninis atsakas, susijęs su tankių skysčių savybėmis.
Pagrindinis kintamasis, panašu, yra klampumas, kuris apibūdina, kaip lengvai skystis teka. Tirštesni skysčiai netolygiai paskirsto įtampą, skirtingai nei skysti. Vietoje to jėga gali susikaupti labiau lokalizuotai ir dramatiškai, leidžiant skysčiui sugesti vietoje to, kad tiesiog deformuotųsi.
Kitais žodžiais, skystis netęsiasi be galo. Tam tikrame slenkstyje jis trūkinėja.
Paslėptas lūžio taškas sraute
Įdomiausia atradimo dalis yra ta, kad jėga, reikalinga sukelti lūžį, atrodė iš esmės nepakitusi net kai keitėsi skysčio klampumas. Lėtesnė deformacija nebūtinai apsaugojo mėginį. Kai pasiektas kritinis įtempis, skystis plyšo.
Tai yra tikrasis poslinkis: tekantis skystis gali elgtis kaip trapus kūnas, kai ant vieneto ploto tenka pakankamai įtampos.
Mokslininkai jau seniai žinojo, kad tam tikri skysčiai gali įtrūkti specialiomis sąlygomis, ypač jei jie yra pakankamai atšaldyti arba cheminiai pakeitimai juos pakeičia. Tačiau šis darbas nurodo kažką platesnio. Tyrėjai mano, kad toks elgesys gali būti būdingas daugeliui paprastų skysčių, galbūt net tokiems įprastiems tirpalams kaip vanduo ar aliejus, jei sąlygos yra tinkamos.
Tokia galimybė svarbi gerokai už laboratorijos ribų. Gilesnis skysčių lūžio supratimas galėtų padėti paaiškinti ir patobulinti procesus, kur svarbi tikslus skysčio valdymas — nuo rašalinių spausdintuvų iki minkštųjų robotų ir net pramoninio pluoštų traukimo.
Kodėl įtrūkimai juda taip greitai
Kai tik lūžis prasidėjo, jis judėjo stulbinančiu greičiu — tarp 500 ir 1 500 metrų per sekundę. Toks greitis atmeta bet kokį lėtą, matomą drėskimąsi ir rodo greitesnį vidinį procesą.
Tas greitis dera su ilgai diskutuojama fizikos idėja, žinoma kaip kavitacija. Kavitacijos metu ekstremali įtampa gali sukelti mažytę vakuumo burbulą skystyje. Tas burbulas tada plečiasi arba žlunga taip, kad padeda išardyti skystį. Ši sąvoka aptarinėta dešimtmečius, tačiau šis eksperimentas pateikia naujų įrodymų, kad čia gali vykti kažkas panašaus.
Vis dėlto lieka sudėtinga problema. Šie įvykiai vyksta taip greitai, jog juos detaliai stebėti sunku. Lūžis baigiasi beveik prieš tai, kai jį galima tinkamai ištirti. Nepaisant to, rezultatas suteikia mokslininkams konkrečią pradžią tolesniems tyrimams, ir tai nėra menka vertybė.
Kitas iššūkis yra sužinoti, kiek plačiai paplitęs šis elgesys išties yra. Ar jis pasireiškia kituose klampiuose skysčiuose? Ar tai vyksta mažiau kontroliuojamomis sąlygomis? Ar tas pats mechanizmas gali paveikti gamybos sistemas, kurios remiasi stabiliu skysčio srautu?
Eksperto įžvalga
„Tai vienas iš tų atradimų, kurie pakeičia srities žodyną“, sakė dr. Elena Morales, fiktyvi medžiagų fizikos specialistė ir mokslo komunikatorė. „Paprastai linkę manyti, kad skysčiai yra itin prisitaikantys, tačiau šis tyrimas rodo, kad jie gali sugesti aiškiai apibrėžtu būdu. Tai turi realių pasekmių bet kuriai technologijai, kuri verčia skysčius veikti arti jų ribų.“
Ji pridūrė, kad praktinė nauda gali būti akimirksnė: „Jei inžinieriai supras, kada skystis plyš, jie galės geriau prognozuoti užsikimšimus, skilimus ir srauto nestabilumą gamybos sistemose.“
Šiuo metu platesnė žinia paprasta. Skysčiai vis dar turi paslapčių. Kai eksperimentiniai įrankiai tampa tikslesni, mokslininkai vis dažniau aptinka, kad medžiagos, kurias manėme suprantantys, turi papildomų elgsenos sluoksnių po paviršiumi.
Tai, kas atrodė kaip rutininis skysčio eksperimentas, virto įrodymais, kad paprasti skysčiai gali trūkti tinkamomis sąlygomis. Tai trumpas sakinys su didelėmis pasekmėmis. Tekėjimo fizika gali būti kur kas mažiau lygi, nei atrodė anksčiau.
Palikite komentarą