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挡风玻璃破裂的物理原理可能会破坏肾结石

北卡罗莱纳州达勒姆市-一架飞机必须飞得很快才能使雨滴破裂,从而挡风玻璃破裂,但这是有可能发生的。现在,不可能完成的壮举背后的物理学新模型可能只是帮助医生将肾结石弄碎了。

1960年代,当超音速喷气机首次被商业化开发时,研究人员发现了一种奇怪的现象,该现象有时会在穿过雨林的试飞中发生。即使雨滴几乎不重,它们仍能够在喷气式飞机的挡风玻璃上形成环形裂纹。

尽管科学家最初难以解释这种好奇心,但剑桥大学的弗兰克·菲利普·鲍登教授和约翰·菲尔德教授最终还是将表面波视为罪魁祸首。由于表面波仅在二维方向上传播,因此它们比三维波具有更强大的冲击力。然而,由于缺乏描述这种现象的数学方法和缺乏验证所提出模型的实验装置,对该现象的某些细节仍然知之甚少。

杜克大学机械工程与材料科学教授裴忠和他的前研究生应聘为现在的玻色声学工程师的张英,在11月1日发表在《物理评论研究》上的一篇新论文中,填补了科学知识方面的空白。

他们创建了一个实验系统,以可视化此类表面波产生的应力。他们放置了一个碎石设备,该设备被设计为用一波玻璃覆盖的一桶水中的声波将肾结石粉碎,然后引发点源爆炸,爆炸形式是球形冲击波。根据冲击波撞击玻璃的角度,它可以产生在水玻璃边界传播的表面波。

利用高速摄像头,该团队仅在传播通过玻璃杯的瞬间就测量了冲击波各个元素的速度。Zhang使用这些测量值来验证使用称为COMSOL的多物理场软件构建的有限元模型。这些模型成功地再现了在这种情况下经常观察到的一系列体波和表面波的特征,其中包括可以使人们免于需要手术去除肾结石的特征。

研究人员发现,造成大部分应力和破坏的波主要是泄漏型瑞利波,其传播速度快于第二种波,即van逝波。虽然它们是在水玻璃边界上同时创建的,但泄漏的瑞利波最终还是从the逝波中拉开了,e逝波是由这种现象引起的最大拉应力的时刻和位置。

他们还发现,最初在超音速喷气式挡风玻璃上观察到的圆形裂纹不一定会在此时形成-它们需要玻璃中存在的缺陷才能开始使用。但是一旦开始,裂纹就会沿着圆形轨迹传播,紧随前进的泄漏瑞利波引起的固体中的第一个主应力。

钟说:“治疗肾结石的挑战是将结石缩小成非常细的碎片,这样医生就不必再进行任何辅助手术了。”“基于通过该模型获得的见解,我们也许能够优化冲击波的形状和碎石机设计,从而在肾结石表面产生更大的张力,从而更有效地打开缺损。”

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