https://bodybydarwin.com
Slider Image

Fysikken til ikke-Newtonsk Goo kunne redde astronauters liv

2021

Det er et eksperiment du kan ha gjort på videregående skole: Når du blander maisstivelse med vann - en blanding som kalles oobleck - og gir det en røre, fungerer den som en væske. Men skrap den raskt eller slå den hardt, og den stivner opp til en solid. Hvis du setter riktig tempo, kan du til og med løpe på toppen av et basseng av tingene. Dette fenomenet kalles skjærkraftfortykning, og forskere har prøvd å forstå hvordan det skjer i flere tiår.

Se forskjellen i tykkelse mellom vanlig vann og når det er blandet med maisstivelse her:

Kreditt: Cohen Lab

Det er to hovedteorier, og å finne ut av hva som er riktig kan påvirke måten vi lager ting som sement, kroppsrustning, hjernerystelse som forhindrer hjelmer og til og med romdrakter.

Den rådende teorien handler om at det handler om væskedynamikken (arten av hvordan væsker beveger seg) av væsken og partiklene i en løsning. Når partiklene skyves nærmere og nærmere hverandre, blir det vanskeligere å skvise ut væsken mellom dem. Etter hvert er det for vanskelig å presse ut mer væske og partiklene låses opp i hydrodynamiske klynger, fortsatt adskilt av en tynn film med væske. De beveger seg deretter sammen, tykner blandingen og danner et fast stoff.

Den andre ideen er at kontaktkrefter som friksjon holder partiklene låst sammen. Under denne teorien, når kraft påføres, berører partiklene faktisk. Skjærkraften og friksjonen holder dem presset sammen, noe som gjør løsningen mer solid.

Det er to hovedteorier, og å finne ut av hva som er riktig kan påvirke måten vi lager ting som sement, kroppsrustning, hjernerystelse som forhindrer hjelmer og til og med romdrakter.

"Debatten har raset, og vi har pakket opp hjernen vår for å tenke på en metode for å ende gå den ene eller den andre veien, sier Itai Cohen, fysiker ved Cornell University. Han og teamet hans har nylig kjørt et nytt eksperiment som ser ut til å peker på friksjon som den drivende årsaken til skjærfortykning.

De bestemte seg for å utføre det som kalles et flow-reversal-eksperiment. De satte en kjegle i en skål full av væsken og målte dreiemomentet som trengs for å snurre kjeglen. Når skjærfortykningen begynner, blir det vanskeligere å snurre kjeglen. Så snur de plutselig spinnretningen. Tanken er at hvis kontaktkraften er årsaken til skjærtykkelse, så i det øyeblikket snurringen snur, vil partiklene komme fri fra hverandre, og det vil umiddelbart komme et fall i dreiemomentets størrelse. Hvis hydrodynamiske klynger var den viktigste årsaken til skjærtykkelse, ville ikke dreiemomentet falt.

Problemet er at kraften måles umiddelbart, og det var ikke en maskin som kunne gjøre den målingen raskt nok til å se effekten. Så Cohens team inngikk samarbeid med Gareth McKinley hos MIT, som endret maskinen for å få dataene raskere. Da de testet enkle løsninger de hadde laget, så de det karakteristiske fall i kraft etter at de snudde strømmen. Ytterligere modellering antydet at friksjon kan være kontaktkraften under spill.

"Vi er glade av spenning, sier Cohen. Resultatene hans ble publisert i dag i tidsskriftet, Physical Review Letters .

Folk kan designe blandinger som enten stiver opp eller holder seg flytende, avhengig av hva de vil gjøre med dem.

"Det er et utmerket arbeid, sier Jeffrey Morris, en kjemisk ingeniør som studerer væskemekanikk ved City College i New York. Men han påpeker at Cohens resultater kanskje ikke kan generaliseres for hver skjærfortykningsvæske." Jeg tror de har gjort vist at friksjon er den rette forklaringen på systemet deres, men andre systemer kan trenge å testes fra sak til sak, sier han.

Norman Wagner, kjemisk ingeniør ved University of Delaware, sier at forskning på friksjonsinteraksjoner som dette er viktig, men bemerker at han ikke er helt overbevist da Cohens team ikke målte friksjonen direkte (de antok at det var friksjon fra modelleringen deres de fant imidlertid ikke den nøyaktige målingen av friksjonen mellom partiklene). Han sier også at det allerede er mye data i feltet som sterkt indikerer hydrodynamiske klynger som årsak til skjærfortykning.

Imidlertid er forskerne alle enige om at når den eksakte årsaken til tykning av skjær er spikret, er applikasjonene som kan følge store. Når du kjenner mekanismen som r forårsaker fenomenet, kan man skreddersy partikkelegenskaper for å endre det, sier Morris. Folk kunne utforme blandinger som enten stiver opp eller holder seg flytende, avhengig av hva de vil gjøre med dem, sier han.

For eksempel vil du være i stand til å enkelt spraye eller rulle maling på veggen uten at den klumper seg sammen. Forskere måtte designe maling slik at den ikke skjærnet tyknet. Det samme gjelder sement, som må helles i høye hastigheter uten å gripe. På den annen side kan skjærfortykningsvæsker gjøre kropps rustning som herder ved slag, og sprer kraften over en større del av kroppen, sier Wagner. Dette beskytter soldater, politi og EMT fra ting som stikksår eller fragmenter som flyr gjennom luften under en eksplosjon.

Se denne maisstivelsen og vannblandingen herde mot en hammernedslag, og vend deretter tilbake til væske:

Kreditt: Cohen Lab

"Og hvis vi kan beskytte soldater, sier han, hvorfor ikke astronauter?" Wagner og teamet hans jobber med et finansiert prosjekt fra NASA for å forbedre plassdrakten slik at mikrometeoritter eller annet rusk ikke kan punktere dem. De har også bøyd teknologien sin for å lage polstring for hjelmer og skinnebeskyttere som vil gjøre en bedre jobb å beskytte idrettsutøvere mot skadelige påvirkninger. De lager til og med punkteringsresistente hansker som vil gi helsepersonell den samme fingerferdigheten som dagens, men med ekstra beskyttelse mot utilsiktet nålestikk.

"Det er et veldig spennende område, " sier Wagner. Han er veldig interessert i å designe materialer som automatisk beskytter noen, uten robotikk eller kraft. Det er bare den medfødte fysikken i materialet, sier han. "Vi kan utnytte naturen for å arbeide til vår fordel for å få den til å svare på en måte som beskytter oss."

En forsker er virkelig sjokkerende søken etter å forstå ål

En forsker er virkelig sjokkerende søken etter å forstå ål

Det er mindre sannsynlig at kvinner får HLR - men hvorfor?

Det er mindre sannsynlig at kvinner får HLR - men hvorfor?

Når Roma graver sin første nye metrorute på flere tiår, ivaretar en arkeolog byens begravde skatter

Når Roma graver sin første nye metrorute på flere tiår, ivaretar en arkeolog byens begravde skatter