Jak się okazuje, fizyka nie przestaje zaskakiwać – nawet w dziedzinach od dawna uznawanych za pewnik, jakich jak, przykładowo, założenie, że woda zachowuje stałą objętość, nie ściskając się ani nie rozciągając. Jak wykazali jednak badacze, nawet ciecze proste – w tym właśnie woda czy olej – mogą ulegać kruchemu pęknięciu pod wpływem rozciągania przy odpowiednio wysokiej szybkości deformacji.
Zjawisko to obserwowano, gdy szybkość odkształcenia uniemożliwiała przepływ cieczy, doprowadzając do nagromadzenia naprężenia rozciągającego do wartości krytycznej rzędu 2 megapaskali (MPa). Powyżej tego progu dochodziło do nagłego pęknięcia z towarzyszącym akustycznym impulsem, analogicznym do zachowania ciał stałych poniżej temperatury przejścia szklistego.
Woda jednak się rozciąga?
Zespół pod kierunkiem Nicolasa J. Alvareza i Thamires A. Lima z Uniwersytetu Drexel, prowadzący eksperymenty w ramach współpracy z firmą ExxonMobil Technology & Engineering, wykazał powtarzalność tego zjawiska poprzez wielokrotne rozciąganie próbek w kontrolowanych warunkach. Dotychczas przyjmowano, że ciecze newtonowskie powyżej temperatury przejścia szklistego wykazują wyłącznie ciągłą deformację lepko-płynną, bez osiągania punktu krytycznego.
Zjawisko pęknięcia było znane wyłącznie dla cieczy lepkosprężystych i polimerowych (np. oobleck czy kleje typu slime), w których mechanizm magazynowania dominuje nad mechanizmem absorbowania strat przy wysokich częstotliwościach odkształcenia. Nowe wyniki wskazują, że mechanizm ten jest generalizowalny także dla cieczy prostych, niezależnie od ich składu chemicznego, pod warunkiem przekroczenia progu szybkości rozciągania uniemożliwiającego relaksację naprężenia poprzez przepływ.
Zależność od lepkości jest jednoznaczna: wyższa lepkość obniża wymaganą szybkość krytyczną, ułatwiając osiągnięcie naprężenia progowego. Pęknięcie może być dodatkowo inicjowane przez lokalną kawitację – formowanie się mikro-pęcherzyków w obszarach ekstremalnego rozciągnięcia – co prowadzi do gwałtownego załamania ciągłości medium.
Skorzysta przemysł produkcyjny…
Zrozumienie granic wytrzymałości na rozciąganie cieczy ma bezpośrednie implikacje dla procesów przemysłowych opartych na rozciąganiu lub ekstruzji materiałów lepkich.
Przykładowo, w dziedzinie technologii druku 3D z wykorzystaniem polimerów ciekłych, precyzyjne określenie wartości krytycznego naprężenia 2 MPa może umożliwić zoptymalizowanie parametry prędkości dysz i lepkości filamentów, minimalizując defekty strukturalne typu pęknięć wewnętrznych, które dotychczas obniżały wytrzymałość wydruków o nawet kilkadziesiąt procent w procesach wysokowydajnych.
Z kolei w produkcji włókien syntetycznych (fiber spinning) – procesie, w którym ciecz polimerowa jest rozciągana do średnic rzędu mikrometrów – kontrola zjawiska pęknięcia umożliwia zwiększenie stabilności strumienia i redukcję awaryjności linii produkcyjnych. Dotychczasowe modele reologiczne nie uwzględniały tego efektu, co prowadziło do nieoptymalnych prędkości liniowych i strat materiału.
…i szereg innych dziedzin też
W dziedzinie medycyny zjawisko ma znaczenie dla analizy przepływu krwi – cieczy o złożonej reologii – w warunkach wysokich gradientów prędkości (np. w sztucznych zastawkach serca, stentach naczyniowych lub urządzeniach do krążenia pozaustrojowego). Identyfikacja warunków, w których naprężenie rozciągające zbliża się do 2 MPa, pozwala projektować implanty minimalizujące ryzyko kawitacji i związanego z nią uszkodzenia śródbłonka lub hemolizy.
Za to w hydraulice i technice morskiej wyniki mają krytyczne znaczenie dla zjawiska kawitacji na łopatach śrub napędowych okrętów podwodnych, pomp wirowych oraz systemów sonarowych. Lepsze zrozumienie mechanizmu inicjacji pęknięcia cieczy pod naprężeniem rozciągającym umożliwia modyfikację geometrii łopat i parametrów pracy, co może zmniejszyć erozję kawitacyjną o rzędy wielkości oraz zredukować generowany hałas i drgania, które roznosi morska woda.
Analogiczne korzyści dotyczą układów hydraulicznych pracujących przy ekstremalnych ciśnieniach, gdzie niekontrolowane pęknięcie cieczy roboczej prowadzi do spadku efektywności i przyspieszonego zużycia komponentów. W perspektywie długoterminowej wyniki mogą przełożyć na zaprojektowanie cieczy roboczych o kontrolowanej wytrzymałości na pękanie w aplikacjach od inżynierii materiałowej po energetykę.
Wyniki eksperymentów badaczy z Uniwersytety Drexel opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Letters„.