Ενοποιημένη θεωρία εξηγεί πώς τα υλικά μετασχηματίζονται από στερεά σε ρευστά – Χρήσιμη στο φαινόμενο των κατολισθήσεων

Χρόνια σχολαστικού πειραματισμού έχουν αποδώσει για τους ερευνητές που στοχεύουν να ενοποιήσουν τη φυσική που προσδιορίζει τα υλικά που μεταβαίνουν από στερεά σε υγρά. Ερευνητές υποστήριξαν ότι ένα νέο θεωρητικό μοντέλο θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη νέων συνθετικών υλικών και να πληροφορεί και να προβλέπει κατασκευαστικές και περιβαλλοντικές προκλήσεις όπως κατολισθήσεις λάσπης, θραύση φραγμάτων και χιονοστιβάδες. Η μελέτη, υπό τον καθηγητή χημικής και βιομοριακής μηχανικής Simon Rogers, στο Πανεπιστήμιο Champaign και Urbana του Illinois, αποκάλυψε μια ενοποιημένη μαθηματική παράσταση που προσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο μαλακά αλλά άκαμπτα ακόμη υλικά περνάνε από κατάσταση στερεού σε ένα αυτή υγρού που ρέει όταν ξεπερνιέται το ιδιαίτερο κατώφλι αντοχής τους. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters.

Η συμπεριφορά της τάσης διαρροής (yield stress) των ρευστών παραδοσιακά προσδιορίζεται προσπαθώντας να συνδυαστεί η φυσική δύο διαφορετικών τύπων υλικών: στερεών και υγρών. Τώρα όμως, σύμφωνα με δηλώσεις μελών της ερευνητικής ομάδας, έχει δειχθεί ότι αυτές οι φυσικές καταστάσεις – στερεό και υγρό – μπορούν να υπάρχουν μαζί στο ίδιο υλικό και αυτό μπορεί να εξηγηθεί με τη χρήση της μαθηματικής παράστασης που αποκαλύφθηκε.

Για την ανάπτυξη του μοντέλου αυτού, η ομάδα εκτέλεσε πλήθος μελετών στις οποίες υπέβαλλαν μια ποικιλία μαλακών υλικών σε τάση ενώ μετρούσε τις ξεχωριστές απαντήσεις στερεάς και υγρής παραμόρφωσης (strain) χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται ρεόμετρο (rheometer). Όπως δήλωσε ο Rogers, «τα παραδοσιακά μοντέλα περιγράφουν μια απότομη αλλαγή στη συμπεριφορά από στερεό σε υγρό, όμως μπορέσαμε να επιλύσουμε τις δυο διακριτές συμπεριφορές που αντανακλούν τον ενεργειακό διασκορπισμό μέσω των μηχανισμών στερεού και ρευστού».

Η μελέτη αναφέρει ότι η εξέλιξη αυτή παρέχει στους ερευνητές ένα απλό μοντέλο για εργασία, που καθιστά εύκολο να γίνονται μεγάλης κλίμακας υπολογισμοί όπως αυτοί που απαιτούνται για το μοντέλο και προβλέπουν καταστροφικά γεγονότα όπως κατολισθήσεις λάσπης και χιονοστιβάδες. «Τα υπάρχοντα μοντέλα είναι “υπολογιστικά πολύ ακριβά” και οι ερευνητές πρέπει να παλέψουν με τους αριθμούς για να κάνουν τους υπολογισμούς να είναι όσο το δυνατόν πιο ακριβείς», αναφέρει ο Rogers. «Το μοντέλο μας είναι απλό και περισσότερο ακριβές και το έχουμε δείξει μέσω πολλών πειραμάτων απόδειξης της αρχής που στηρίζεται».

Οι ερευνητές ανάφεραν ότι σύνθετες μελέτες τάσης διαρροής των ρευστών είναι ιδιαίτερη καυτή περιοχή για αυτούς που ερευνούν γεωφυσικές ροές, αποκατάσταση αποβλήτων και βιομηχανικές διεργασίες όπως η ανάπτυξη νέων υλικών, τρισδιάστατη (3D) εκτύπωση και τη μείωση του κόστους μεταφοράς αποβλήτων.

Πηγή: Illinois News Bureau

Περισσότερα στη δημοσίευση: Unification of the Rheological Physics of Yield Stress Fluids. Physical Review Letters.

Εικόνα κειμένου: Το στρώμα βλέννας κάτω το σαλιγκάρι αποτελεί ένα παράδειγμα μαλακού υλικού που ρέει μετά την τάση πέρα από ένα σημείο.