Как оказывается, физика продолжает удивлять – даже в тех областях, которые долгое время считались само собой разумеющимися, например, в предположении, что вода сохраняет постоянный объем, не сжимаясь и не растягиваясь. Однако, как показали исследователи, даже простые жидкости – в том числе вода или масло – могут подвергаться хрупкому разрушению под действием растяжения при достаточно высокой скорости деформации.
Это явление наблюдалось, когда скорость деформации препятствовала течению жидкости, что приводило к увеличению растягивающего напряжения до критического значения 2 мегапаскалей (МПа). Выше этого порога произошел внезапный треск с сопровождающим его акустическим импульсом, аналогичный поведению твердых тел ниже температуры стеклования.
Но растягивается ли вода?
Команда под руководством Николаса Дж. Альвареса и Тамиреса А. Лима из Университета Дрекселя, проводившая эксперименты в сотрудничестве с ExxonMobil Technology & Engineering, продемонстрировала повторяемость этого явления, многократно растягивая образцы в контролируемых условиях. До сих пор предполагалось, что ньютоновские жидкости выше температуры стеклования демонстрируют только непрерывную деформацию вязкой жидкости, не достигая критической точки.
Явление растрескивания было известно только для вязкоупругих и полимерных жидкостей (например, облек или введите клей слизь), в котором механизм накопления доминирует над механизмом поглощения потерь на высоких частотах искажений. Новые результаты показывают, что этот механизм также применим к простым жидкостям, независимо от их химического состава, при условии, что превышен порог скорости растяжения, препятствующий релаксации напряжений за счет течения.
Связь с вязкостью очевидна: более высокая вязкость снижает требуемую критическую скорость, что облегчает достижение порогового напряжения. Трещина может быть дополнительно инициирована локальной кавитацией – образованием микропузырьков в местах сильного растяжения – что приводит к внезапному нарушению сплошности среды.
Обрабатывающая промышленность получит выгоду…
Понимание пределов прочности жидкостей на разрыв имеет прямое значение для промышленных процессов, основанных на растяжении или экструзии вязких материалов.
Например, в области технологии 3D-печати с использованием жидких полимеров точное определение значения критического напряжения в 2 МПа может позволить оптимизировать скорость сопла и параметры вязкости нити, минимизировать структурные дефекты, такие как внутренние трещины, которые ранее снижали прочность отпечатков на несколько десятков процентов в высокопроизводительных процессах.
В свою очередь, при производстве синтетических волокон (прядение волокна) — процесс, при котором полимерная жидкость растягивается до диаметров порядка микрометров — контроль явления трещин позволяет повысить стабильность потока и снизить интенсивность отказов производственных линий. Предыдущие реологические модели не учитывали этот эффект, что приводило к неоптимальным линейным скоростям и потерям материала.
…и ряд других областей тоже
В области медицины это явление важно для анализа кровотока — жидкости со сложной реологией — в условиях высоких градиентов скорости (например, в искусственных клапанах сердца, сосудистых стентах или устройствах экстракорпорального кровообращения). Идентификация условий, при которых растягивающее напряжение приближается к 2 МПа, позволяет спроектировать имплантаты, минимизирующие риск кавитации и связанного с ней повреждения эндотелия или гемолиза.
Однако в гидравлике и морской технике решающее значение имеют результаты явления кавитации на лопастях гребных винтов подводных лодок, центробежных насосов и гидроакустических систем. Лучшее понимание механизма возникновения жидкостных трещин под действием растягивающего напряжения позволяет изменить геометрию лопастей и рабочие параметры, что может на порядки уменьшить кавитационную эрозию и уменьшить генерируемый шум и вибрации, передаваемые морской водой.
Аналогичные преимущества касаются гидросистем, работающих при экстремальных давлениях, где неконтролируемый выброс рабочей жидкости приводит к снижению КПД и ускоренному износу компонентов. В долгосрочной перспективе результаты могут быть использованы в разработке рабочих жидкостей с контролируемой прочностью на разрушение в различных приложениях, от материаловедения до энергетики.
Результаты экспериментов исследователей из Университета Дрекселя опубликованы в журнале «Письма о физических отзывах«.
