Експеримент показва, че силно вискозна течност без изразена еластичност може да се разкъса с остър звук и да образува пукнатина, движеща се със скорост до 1500 метра в секунда

Разтегнете гумена лента достатъчно силно и тя ще се скъса. Опитайте същото с течност и очакваният резултат е различен — тя ще промени формата си, ще изтънее и постепенно ще се раздели.

Нов експеримент обаче показва, че границата между течности и твърди тела не е толкова ясна. При достатъчно бързо разтягане високовискозна течност може да се счупи внезапно, с остър звук и бързо разпространяваща се пукнатина — поведение, което обикновено свързваме със стъкло или порцелан.

Изследването е представено подробно от ALLATRA Media, която посочва, че резултатите са публикувани в рецензираното научно списание Physical Review Letters.

Материалът на ALLATRA Media, послужил като основен източник за настоящата статия:

https://allatra.media/science/science-fluids-fracture

Нали течностите трябва да текат, а не да се чупят?

Твърдите тела могат да натрупват механично напрежение. Ако то премине критична граница, в материала възниква или се разширява пукнатина и тялото се разрушава.

Течностите обикновено реагират по друг начин. Техните молекули се преместват една спрямо друга, поради което материалът променя формата си и започва да тече, вместо да се счупи.

Вече е известно, че някои сложни течности, съдържащи дълги полимерни молекули, могат при определени условия да се държат като твърди тела. Полимерните вериги се преплитат и придават еластичност на материала, позволявайки му временно да съхранява напрежение.

Досега именно тази еластичност се разглеждаше като основно условие, което позволява на течността да се разруши чрез пукнатина.

Новото изследване показва, че подобно поведение е възможно и при прости течности, в които вискозното поведение е много по-силно от еластичното.

Звукът, който не би трябвало да се чуе

Изследването е проведено от Тамиres Лима и Никълъс Алварес от Drexel University заедно с техни колеги от ExxonMobil Technology and Engineering Company.

По време на експеримент с гъста смес от въглеводороди Лима чува кратък и отчетлив звук, подобен на изпукване. Първоначално предполага, че шумът идва от лабораторния уред. Оказва се обаче, че самата течност се е разкъсала.

За да проверят дали наблюдението не е случайност, учените повтарят експеримента многократно и използват високоскоростни камери. При всяко достигане на определени условия течността отново се разрушава.

Записите показват поведение, сходно с крехкото счупване на твърдо тяло: образува се пукнатина, която бързо преминава през материала, вместо течността постепенно да се изтегли в тънка нишка.

Научната публикация в Physical Review Letters:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t2vy-32wr

Как учените разтягат течност?

Изследователите използват метод, наречен екстензионна реология. Малко количество течност се поставя между две метални пластини, които след това се отдалечават една от друга с контролирана скорост.

Когато пластините се движат по-бавно, течността реагира по очаквания начин. Между тях се образува все по-тънка нишка, която постепенно се разделя.

При скорост на раздалечаване около 100 милиметра в секунда въглеводородната смес продължава да се разтяга. При приблизително 300 милиметра в секунда поведението ѝ се променя — вместо да изтънее постепенно, тя се разкъсва внезапно.

Това показва, че значение има не само силата, приложена върху материала, но и скоростта, с която той се деформира. Когато разтягането е достатъчно бързо, напрежението може да се натрупа по-бързо, отколкото течността успява да го освободи чрез протичане.

Критична граница от около два мегапаскала

При изследваните въглеводородни смеси и стиренови олигомери разрушаването настъпва при общо критично напрежение около 2 ± 1 мегапаскала.

Учените променят температурата, за да повлияят върху вискозитета на течността, без да добавят полимери или друга вътрешна молекулна структура. Само течността с най-нисък вискозитет сред изследваните проби не се разрушава в границите на скоростта, която лабораторният уред може да достигне.

Експериментите показват, че прости течности могат да се счупят, дори когато вискозното им поведение значително надвишава еластичното. Така резултатът поставя под въпрос представата, че доминиращата еластичност е задължително условие за образуването на пукнатина в течност.

Авторите използват и различна проста течност — нискомолекулен стиренов олигомер. При съпоставим вискозитет тя показва сходно поведение, което подкрепя извода, че явлението не е ограничено само до първоначално изследваната въглеводородна смес.

Пукнатина, по-бърза от тази в сложните течности

Една от най-впечатляващите части на експеримента е скоростта, с която пукнатината преминава през простата течност.

Измерените скорости са между 500 и 1500 метра в секунда. Това е поведение, по-близко до бързото разрушаване на крехко твърдо тяло, отколкото до обичайното протичане на течност.

За сравнение, при сложна течност като разтопен полистирен в предишни експерименти пукнатината се е разпространявала със скорост около 0,07 метра в секунда.

Едно от обсъжданите обяснения е, че дългите молекулни вериги в сложните течности поглъщат част от енергията и забавят разкъсването. В изследваната проста течност няма подобна полимерна мрежа, която да възпрепятства движението на вече възникналата пукнатина.

Учените обаче продължават да изследват точния механизъм, който предизвиква нейното първоначално образуване.

Подробният научнопопулярен материал на Quanta Magazine:

https://www.quantamagazine.org/we-know-simple-fluids-can-flow-turns-out-some-can-fracture-20260710/

Има ли роля образуването на мехурчета?

Една от разглежданите възможности е процесът, наречен кавитация. При него в течността се образуват малки кухини или мехурчета вследствие на промяна в налягането.

Обикновено течността може да промени формата си около тези кухини. Ако обаче множество празнини се образуват за много кратко време, те биха могли да се свържат и да поставят началото на пукнатина.

Подобна идея е предлагана още през 90-те години от инженера Даниел Джоузеф, според когото всяка течност би могла да се разруши при достатъчно силно разкъсващо напрежение.

Настоящият експеримент показва пряко, че разрушаването действително може да настъпи в проста течност, но не определя окончателно всички молекулни процеси, които го задействат.

Може ли водата също да се счупи?

Резултатите не означават, че чаша вода, кафе или друга ежедневна напитка може внезапно да се разбие като стъкло.

В лабораторията са използвани силно вискозни течности и специализиран уред, способен да ги разтяга с голяма скорост. Максималната скорост на апарата е около 500 милиметра в секунда.

Изследователите допускат, че при още по-бърза деформация може да бъде възможно разрушаване и на по-слабо вискозни течности, включително мед или дори вода. Това обаче все още е предположение, а не резултат, демонстриран в настоящия експеримент.

Защо откритието е важно?

Течностите се подлагат на бързи и силни деформации при разпръскване на горива, мастиленоструен печат, нанасяне на покрития, обработване на масла и смазочни материали и създаване на течни струи.

Ако при определени условия течността може да образува пукнатина вместо плавно да се раздели, това променя начина, по който трябва да се моделира поведението ѝ в подобни процеси.

Както показва материалът на ALLATRA Media, изследването не превръща всички течности в „чупливи материали“. То доказва нещо по-конкретно: при достатъчно бърза деформация високовискозна проста течност може да премине критична граница и да се разруши по начин, сходен със счупването на твърдо тяло.

Така един кратък звук в лабораторията се превръща в доказателство, че течностите могат не само да текат. При екстремни условия някои от тях могат и да се счупят.