Недавний эксперимент с эластичными гелями показал, что трещины распространяются со скоростями, превышающими обычные пределы. Образуясь со скоростью, превышающей скорость звука и сдвиговых волн, эти так называемые «суперсдвиговые» трещины, по-видимому, не подчиняются законам физики. Это открытие может пролить свет на механизмы мощных землетрясений и, возможно, привести к разработке более эффективных стратегий их предотвращения.
Напряжения, приложенные к материалу под давлением, распространяются от вершины трещины по всей ее длине, когда потенциальная энергия превышает энергию разрушения материала. Согласно базовой механической модели, максимальная скорость распространения трещины обычно не превышает скорости волны Рэлея, типа волны, которая распространяется по поверхности твердых тел.
Однако эксперименты, проведенные в 1970-х годах на пластичных полимерах, показали, что под действием очень малых и средних напряжений трещины распространяются со сверхскоростями (превышающими скорость сдвига). Сдвиговые волны распространяются с несколько большей скоростью, чем волны Рэлея. Многие теоретики также предлагали такое явление. Однако эти результаты были сочтены сюрреалистичными и не могли быть перенесены на реальные материалы и были временно отложены.
Тем не менее уже начали фиксировать землетрясения, соответствующие этой скорости, — так называемые сверхсдвиговые землетрясения. Фактически лежащая в основе сейсмическая модель соответствует скорости разрыва, соответствующей скорости распространения поперечных волн (или S-волн), т.е колебаний со скоростью ок. 3 км/с. Сверхсдвиговые землетрясения разрушают эту модель и достигают скорости разрушения 5 км/с.
С тех пор возобновились эксперименты по расшифровке физических механизмов, лежащих в основе этого загадочного явления. Открытие, сделанное исследователями из Еврейского университета в Иерусалиме, кажется, подтверждает эту модель капитуляции. В частности, им удалось экспериментально подтвердить существование сверхсдвиговых трещин, которые превышают скорость поперечных волн и разгоняются до скорости волн разрежения (6 км/с).
На 30% быстрее скорости звука
Чтобы выявить знаменитые трещины сверхсдвига, исследователи использовали пористый гидрогель, обычно используемый для молекулярного анализа.
Обратите внимание: Экспериментальная вакцина против рака кожи была на 100% эффективна при тестировании на мышах.
Для каждого образца была вытравлена сетка, чтобы можно было легко наблюдать за распространением трещины. В месте начала растрескивания геля при растяжении (вершина трещины) был сделан небольшой надрез.После растяжения всех образцов и отслеживания трещин высокоскоростной камерой исследователи были чрезвычайно впечатлены скоростью, с которой они распространяются. Самый быстрый из них распространялся со скоростью на 30% превышающей скорость звука! Не протравливая вершину трещины на некоторых образцах, они обнаружили, что некоторые из них по-прежнему превышают скорость звука на 15%. Еще более удивительным было то, что динамика сверхсдвига следовала принципам, совершенно отличным от динамики обычных трещин. «Этот неклассический режим разрушения при растяжении представляет собой фундаментальное изменение в нашем понимании процесса разрушения», — пишут они в своей статье .
По их мнению, одна из причин, по которой фундаментальные уравнения не могут объяснить то, что произошло в их экспериментах, заключается в том, как гели сопротивляются растяжению в вершине трещины. Хотя теоретики ранее предлагали жизнеспособные модели сверхсдвига, до сих пор не существует такой модели, которая точно объясняла бы высокую скорость образования трещин в такой упругой среде. Для других упругих объектов, таких как пружины, соотношение между силой растяжения и их удлинением относительно простое. Однако это не относится к гелям, эластичность которых может существенно различаться в зависимости от взаимодействия и природы входящих в них молекул.
понимание этого явления может пролить свет на механизмы, лежащие в основе сверхшировых землетрясений. В будущем это могло бы облегчить их прогнозирование и минимизировать ущерб. В ближайшем будущем исследователи планируют расширить свои эксперименты на другие материалы и сотрудничать с теоретиками, ранее изучавшими суперсдвиги.
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.