Современная физика разрушения материалов столкнулась с парадоксальным явлением. В ходе недавнего исследования эластичных гелей было зафиксировано образование трещин, скорость распространения которых значительно превышает общепринятые теоретические пределы. Эти «суперсдвиговые» трещины, развивающиеся быстрее скорости звука и сдвиговых волн, бросают вызов фундаментальным законам механики. Данное открытие имеет огромное практическое значение, так как может помочь раскрыть природу разрушительных сверхсдвиговых землетрясений и в перспективе разработать методы их прогнозирования и смягчения последствий.
Согласно классической теории, процесс разрушения материала начинается, когда приложенное напряжение концентрирует настолько большую потенциальную энергию на вершине трещины, что она превосходит энергию, необходимую для разрыва связей в материале. Эта энергия и напряжение распространяются вдоль трещины, заставляя ее расти. Традиционные модели предсказывают, что максимально возможная скорость этого роста ограничена скоростью волн Рэлея — поверхностных акустических волн, характерных для твердых тел.
Однако еще в 1970-х годах в экспериментах с пластичными полимерами были получены первые намеки на существование иного режима разрушения. Ученые наблюдали, как при определенных условиях напряжения трещины начинали распространяться со сверхзвуковыми скоростями, обгоняя даже более быстрые сдвиговые волны. Хотя теоретики и допускали такую возможность, эти результаты казались настолько необычными и трудновоспроизводимыми для реальных материалов, что гипотеза о сверхсдвиговых трещинах была надолго отложена.
От лаборатории к реальности: сверхсдвиговые землетрясения
Ситуация изменилась, когда сейсмологи начали фиксировать землетрясения, не укладывающиеся в стандартные модели. Оказалось, что некоторые разрывы в земной коре, известные как сверхсдвиговые землетрясения, развиваются с аномально высокой скоростью. Если обычный сейсмический разрыв движется со скоростью поперечных (S-) волн (около 3 км/с), то сверхсдвиговые события могут достигать скорости в 5 км/с и более, что приводит к особенно мощным и разрушительным толчкам.
Это заставило ученых вновь обратиться к лабораторным экспериментам, чтобы понять физическую природу явления. Прорывное исследование команды из Еврейского университета в Иерусалиме, по-видимому, предоставило долгожданное экспериментальное подтверждение. Им удалось не только наблюдать сверхсдвиговые трещины, превышающие скорость сдвиговых волн, но и зафиксировать их разгон до скорости волн разрежения, что эквивалентно примерно 6 км/с.
Эксперимент, перевернувший представления
Для обнаружения сверхсдвиговых трещин исследователи использовали инновационный подход с пористым гидрогелем — материалом, часто применяемым в биомолекулярных исследованиях.
Обратите внимание: Экспериментальная вакцина против рака кожи была на 100% эффективна при тестировании на мышах.
На поверхность образцов нанесли микроскопическую сетку, которая служила системой координат для точного отслеживания динамики трещины. Чтобы инициировать процесс, на вершине будущего разрыва делали небольшой надрез, после чего гель подвергали контролируемому растяжению.Наблюдения с помощью высокоскоростной камеры принесли ошеломляющие результаты. Самая быстрая трещина распространялась со скоростью, на 30% превышающей скорость звука в этом материале! Даже в образцах без предварительного надреза скорость роста трещин достигала 15% сверхзвукового порога. Но главным открытием стало то, что физика этих сверхсдвиговых трещин кардинально отличалась от классической. Как отмечают авторы в своей публикации, этот неклассический режим разрушения представляет собой фундаментальный сдвиг в нашем понимании самого процесса растрескивания.
В поисках новой теории
Ученые полагают, что существующие уравнения не могут описать наблюдаемый феномен из-за уникальных свойств гелей. Сопротивление растяжению в вершине трещины в таких эластичных материалах устроено сложнее, чем в классических упругих телах вроде металлов или пружин, где зависимость силы от деформации линейна. Эластичность геля определяется сложным взаимодействием его полимерных молекул и жидкости, что приводит к нелинейному и сильно зависящему от условий поведению. Хотя теоретические модели сверхсдвига существовали и раньше, ни одна из них не могла точно предсказать столь высокие скорости в подобной среде.
Углубленное изучение этого явления открывает путь к пониманию механизмов сверхсдвиговых землетрясений. В будущем это знание может лечь в основу систем раннего предупреждения и стратегий сейсмической безопасности. На следующем этапе исследователи планируют расширить эксперименты на другие типы материалов и начать тесное сотрудничество с теоретиками для создания новой, всеобъемлющей модели сверхсдвигового разрушения.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Недавно проведенный эксперимент с эластичными гелями показал, что трещины распространяются со скоростями, превышающими общепринятые пределы.