Тайна, которую скрывали жидкости 100 лет: при критическом напряжении они раскалываются — новый закон физики
Только начинает казаться, что с устройством Вселенной всё ясно — и физика вновь преподносит сюрприз. Оказывается, обычные жидкости способны на нечто большее, чем просто течь или растягиваться. При определенных условиях они раскалываются, словно хрупкое твердое тело.
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, переворачивает привычные представления о механике жидкостей. Если субстанция может не только деформироваться, но и лопаться, это меняет подход к самым разным сферам:
технологиям 3D-печати;
биологическим системам внутри человеческого тела;
промышленному производству волокон.
Громкий треск вместо ожидаемой тягучести
Команда из Университета Дрекселя (США) вместе с инженерами ExxonMobil готовила рутинный эксперимент. Изучали, как вязкие жидкости реагируют на сильное механическое воздействие. Первая реакция ученых оказалась далека от научного восторга.
«Из-за трещины раздался очень громкий треск. Он меня действительно напугал», — признается инженер-химик Тамирес Лима.
Исследователи решили, что сломалось лабораторное оборудование. Но когда явление повторилось снова и снова, стало ясно: они столкнулись с чем-то принципиально новым.
«То, что мы увидели, было совершенно неожиданным, — объясняет Николас Альварес, коллега Лимы. — После того как мы подтвердили результат, наше начинание превратилось в совершенно другое научное приключение».
Как заставить жидкость треснуть
Схема эксперимента выглядела просто. Жидкость помещали между двумя металлическими пластинами. Высокоскоростная камера фиксировала происходящее, а установка прикладывала к образцу возрастающую нагрузку.
Первый «щелчок» прозвучал в тот момент, когда силу растяжения довели до величины, сравнимой с весом мешка кирпичей. Причем вся эта нагрузка приходилась на участок размером с ноготь.
Жертвой эксперимента стала смолоподобная смесь углеводородов. Позже ту же точку разрушения обнаружили у другой густой жидкости — олигомера стирола. Ученые подозревают, что ключевую роль играет вязкость.
Вот что выяснилось:
В более густых и тягучих субстанциях напряжения накапливаются иначе, чем в текучих.
Чем выше вязкость, тем медленнее можно растягивать жидкость — она всё равно треснет.
При этом требуемая сила на единицу площади остается одинаковой вне зависимости от густоты.
Вода и масло под ударом: пределы универсальности
Раньше считалось: чтобы жидкость раскололась, ее нужно сильно охладить или интенсивно перемешать. Теперь правила меняются.
«Наши данные показывают, — говорит Тамирес Лима, — что если простую текучую жидкость растянуть с достаточной силой на единицу площади, она достигнет точки “критического напряжения”. А после этого фактически расколется, как твердое тело».
По мнению исследователей, это свойство универсально. Оно должно проявляться у всех простых жидкостей — от воды и растительного масла до более экзотических составов.
Трещина рождается мгновенно. Команда зафиксировала скорость от 500 до 1500 метров в секунду. Это соответствует явлению кавитации — образованию внутри жидкости крошечного вакуумного пузырька. Гипотезу о таком механизме обсуждали несколько десятилетий, но только сейчас получили убедительные экспериментальные доказательства.
Правда, сам процесс настолько быстр, что получить качественные снимки оказалось крайне сложно.
Что дальше: от лаборатории к реальной жизни
Ученые только в начале пути. Следующие шаги — выяснить, как именно образуются эти «жидкие трещины», и понять, можно ли наблюдать их вне стерильных лабораторных условий.
Практический интерес уже обозначен:
совершенствование процессов прядения волокон;
любые технологии, где используются высоковязкие жидкости.
«Теперь, когда мы сообщили об этом неожиданном поведении, — резюмирует Лима, — важнейшая задача — полностью разобраться в его причинах. И посмотреть, как открытие применимо к другим жидкостям».
Физика вновь напоминает: даже самые привычные материалы продолжают хранить секреты. И чем точнее становятся приборы, тем больше сюрпризов преподносит нам обычная, казалось бы, вода.