บาคาร่า การทำความเข้าใจกลไกของมันจะช่วยให้นักวิจัยสร้างชุดอวกาศที่ดีขึ้นและแม้กระทั่งหมวกกันน็อคที่ป้องกันการถูกกระทบกระแทก
BY ลิเดีย เชน | เผยแพร่เมื่อ 24 พ.ย. 2558 23:29 น.
ศาสตร์
แบ่งปัน
มีการทดลองที่คุณอาจเคยทำในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย: เมื่อคุณผสมแป้งข้าวโพดกับน้ำ ซึ่งเป็นส่วนผสมที่เรียกขานกันว่า oobleck แล้วคนให้เข้ากัน มันจะทำหน้าที่เหมือนของเหลว แต่ขูดเร็วหรือกระแทกแรงๆ จะทำให้แข็งทื่อ หากคุณกำหนดฝีเท้าได้ถูกต้อง คุณยังสามารถวิ่งบนสระน้ำได้อีกด้วย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าแรงเฉือนหนาขึ้น และนักวิทยาศาสตร์พยายามทำความเข้าใจว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไรมานานหลายทศวรรษ
7 เคล็ดลับในการทำให้ค้นหาไฟล์ได้ง่ายขึ้นบน Mac
ดูความแตกต่างของความหนาระหว่างน้ำเปล่าและเมื่อผสมกับแป้งข้าวโพดได้ที่นี่:
มีสองทฤษฎีหลัก และการหาว่าสิ่งที่ถูกต้องอาจส่งผล
ต่อวิธีที่เราทำสิ่งต่างๆ เช่น ซีเมนต์ ชุดเกราะ หมวกนิรภัยที่ป้องกันการถูกกระทบกระแทก และแม้แต่ชุดอวกาศ
ทฤษฎีที่มีอยู่คือทั้งหมดที่เกี่ยวกับพลศาสตร์ของไหล (ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของของไหล) ของของเหลวและอนุภาคในสารละลาย เมื่ออนุภาคถูกผลักเข้ามาใกล้กันมากขึ้น การบีบของเหลวออกจากกันจะยากขึ้น ในที่สุด มันก็ยากเกินไปที่จะบีบของไหลออกมาอีก และอนุภาคก็ล็อคกันเป็นกลุ่มอุทกพลศาสตร์ ซึ่งยังคงคั่นด้วยฟิล์มบาง ๆ ของของเหลว จากนั้นพวกมันจะเคลื่อนเข้าด้วยกัน ทำให้ส่วนผสมข้นขึ้นและกลายเป็นของแข็ง
อีกแนวคิดหนึ่งคือแรงสัมผัสเช่นแรงเสียดทานทำให้อนุภาคล็อคเข้าด้วยกัน ภายใต้ทฤษฎีนี้ เมื่อใช้แรง อนุภาคจะสัมผัสกันจริงๆ แรงเฉือนและแรงเสียดทานกดเข้าด้วยกัน ซึ่งทำให้สารละลายมีความแข็งมากขึ้น
Itai Cohenนักฟิสิกส์จาก Cornell University กล่าวว่า “การโต้เถียงเป็นไปอย่างดุเดือด และเราได้ทำลายสมองของเราให้คิดหาวิธีที่จะสรุปผลไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง” เขาและทีม ของเขา เพิ่งทำการทดลองใหม่ซึ่งดูเหมือนว่าจะชี้ไปที่การเสียดสีซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของแรงเฉือนที่หนาขึ้น
พวกเขาตัดสินใจที่จะทำการทดลองที่เรียกว่าการพลิกกลับของโฟลว์ พวกเขาใส่กรวยลงในจานที่เต็มไปด้วยของเหลวและวัดแรงบิดที่ใช้ในการหมุนกรวย เมื่อแรงเฉือนเริ่มต้นขึ้น จะหมุนกรวยได้ยากขึ้น จากนั้นพวกเขาก็กลับทิศทางการหมุน แนวคิดก็คือถ้าแรงสัมผัสเป็นสาเหตุของการแข็งตัวของแรงเฉือน จากนั้นในขณะที่การหมุนกลับด้าน อนุภาคจะหลุดออกจากกัน และขนาดของแรงบิดจะลดลงทันที หากคลัสเตอร์อุทกพลศาสตร์เป็นสาเหตุหลักของความหนาของแรงเฉือน แรงบิดจะไม่ลดลง
ปัญหาคือต้องวัดแรงทันที และไม่มีเครื่องจักรใดที่จะทำให้การวัดนั้นเร็วพอที่จะเห็นผล ดังนั้นทีมของโคเฮนจึงร่วมมือกับGareth McKinleyที่ MIT ซึ่งแก้ไขเครื่องเพื่อรับข้อมูลได้รวดเร็วยิ่งขึ้น เมื่อพวกเขาทดสอบวิธีแก้ปัญหาง่ายๆ ที่พวกเขาสร้างขึ้น พวกเขาเห็นว่าลักษณะเฉพาะของแรงที่ลดลงหลังจากเปลี่ยนการไหลกลับด้าน การสร้างแบบจำลองเพิ่มเติมแนะนำว่าความเสียดทานอาจเป็นแรงสัมผัสในการเล่น
“พวกเราตื่นเต้นกันมาก” โคเฮนกล่าว ผลงานของเขา ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารPhysical Review Letters
“เป็นงานที่ยอดเยี่ยมมาก” เจฟฟรีย์ มอร์ริสวิศวกรเคมี
ที่ศึกษากลศาสตร์ของไหลที่ City College of New York กล่าว แต่เขาชี้ให้เห็นว่าผลลัพธ์ของโคเฮนอาจไม่สามารถสรุปได้กับของเหลวข้นเฉือนทุกชนิด “ผมคิดว่าพวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าการเสียดสีเป็นคำอธิบายที่ถูกต้องสำหรับระบบของพวกเขา แต่ระบบอื่นๆ อาจต้องได้รับการทดสอบเป็นกรณีไป” เขากล่าว
Norman Wagnerวิศวกรเคมีแห่ง University of Delaware กล่าวว่าการวิจัยเกี่ยวกับปฏิกิริยาการเสียดสีแบบนี้มีความสำคัญ แต่สังเกตว่าเขาไม่ค่อยมั่นใจนัก เนื่องจากทีมของ Cohen ไม่ได้วัดความเสียดทานโดยตรง (พวกเขาอนุมานว่าเป็นการเสียดสีจากแบบจำลองของพวกเขา อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่พบการวัดความเสียดทานระหว่างอนุภาคที่แน่นอน) เขายังกล่าวอีกว่า มีข้อมูลจำนวนมากในภาคสนามที่บ่งชี้ถึงคลัสเตอร์อุทกพลศาสตร์อย่างเด่นชัดว่าเป็นสาเหตุของการหนาของแรงเฉือน
อย่างไรก็ตาม นักวิจัยทุกคนต่างเห็นพ้องกันว่าเมื่อมีการตอกย้ำสาเหตุที่แท้จริงของความหนาของแรงเฉือนแล้ว การใช้งานที่อาจตามมาก็มีมากมาย “เมื่อคุณทราบกลไกที่ก่อให้เกิดปรากฏการณ์นี้แล้ว คุณสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของอนุภาคเพื่อเปลี่ยนแปลงได้” มอร์ริสกล่าว ผู้คนสามารถออกแบบส่วนผสมที่ทำให้แข็งตัวหรือคงของเหลวได้ ขึ้นอยู่กับสิ่งที่พวกเขาต้องการทำกับพวกเขา เขากล่าว
ตัวอย่างเช่น คุณต้องการพ่นหรือม้วนสีบนผนังของคุณได้อย่างง่ายดายโดยไม่จับเป็นก้อน นักวิจัยต้องออกแบบสีเพื่อไม่ให้เกิดแรงเฉือน เช่นเดียวกับซีเมนต์ซึ่งต้องเทด้วยความเร็วสูงโดยไม่ต้องยึด ในทางกลับกัน ของเหลวที่เพิ่มความข้นเฉือนสามารถสร้างเกราะป้องกันตัวที่แข็งเมื่อกระทบ กระจายแรงไปทั่วส่วนของร่างกายที่ใหญ่ขึ้น Wagner กล่าว ที่ปกป้องทหาร ตำรวจ และ EMT จากสิ่งต่างๆ เช่น บาดแผลจากการถูกแทงหรือเศษที่ลอยอยู่ในอากาศระหว่างการระเบิด
ดูส่วนผสมของแป้งข้าวโพดและน้ำที่แข็งตัวจากการกระแทกด้วยค้อน จากนั้นจึงกลับไปเป็นของเหลว:
เครดิต: Cohen Lab
“และถ้าเราสามารถปกป้องทหารได้” เขากล่าว “ทำไมไม่เป็นนักบินอวกาศล่ะ” Wagner และทีม ของเขา กำลังทำงานในโครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก NASA เพื่อปรับปรุงชุดอวกาศ เพื่อไม่ให้ไมโครอุกกาบาตหรือเศษซากอื่นๆ เจาะเข้าไป พวกเขายังก้มหน้าใช้เทคโนโลยีเพื่อทำแผ่นรองสำหรับหมวกกันน็อคและสนับแข้งซึ่งจะช่วยปกป้องนักกีฬาจากผลกระทบที่เป็นอันตรายได้ดีขึ้น พวกเขายังทำถุงมือกันการเจาะที่จะทำให้เจ้าหน้าที่ทางการแพทย์มีความชำนาญเช่นเดียวกับถุงมือในปัจจุบัน แต่มีการป้องกันพิเศษจากเข็มฉีดยาโดยไม่ได้ตั้งใจ
“มันเป็นพื้นที่ที่น่าตื่นเต้นมาก” แวกเนอร์กล่าว เขาสนใจมากในการออกแบบวัสดุที่ปกป้องผู้อื่นโดยอัตโนมัติ โดยไม่ต้องใช้หุ่นยนต์หรือพลัง มันเป็นเพียงฟิสิกส์โดยกำเนิดของวัสดุเท่านั้น เขากล่าว “เราสามารถควบคุมธรรมชาติให้ทำงานเพื่อประโยชน์ของเราเพื่อให้มันตอบสนองในลักษณะที่ปกป้องเรา” บาคาร่า
