新研究表明液體存在斷裂點(diǎn)，在應(yīng)力作用下會(huì)斷裂而非如科學(xué)家長(zhǎng)期認(rèn)為的那樣流動(dòng)。

德雷克塞爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，液體在特定條件下似乎也能像固體一樣斷裂。這一發(fā)現(xiàn)可能改變我們對(duì)流體力學(xué)的認(rèn)知，研究表明粘性流體在受到足夠大的拉伸力時(shí)會(huì)突然斷裂。

與固體在拉伸后最終會(huì)斷裂不同，液體從未被認(rèn)為存在斷裂點(diǎn)。然而這項(xiàng)新研究似乎對(duì)這一認(rèn)知提出了挑戰(zhàn)。

"我們的發(fā)現(xiàn)表明，如果用足夠大的單位面積力拉伸，一種簡(jiǎn)單液體——即具有流動(dòng)性的液體——會(huì)達(dá)到我們所說(shuō)的'臨界應(yīng)力點(diǎn)'，此時(shí)它會(huì)像固體一樣真正發(fā)生斷裂，"協(xié)助領(lǐng)導(dǎo)該研究的德雷克塞爾大學(xué)工程學(xué)院助理研究教授塔米雷斯·利馬博士表示。

有趣的是，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)液體"斷裂"時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似固體斷裂時(shí)的突然聲響。不用說(shuō)，這也完全出乎意料。

"我們觀察到的現(xiàn)象實(shí)在太出乎意料，以至于我們需要重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)來(lái)確認(rèn)其真實(shí)性，"領(lǐng)導(dǎo)該實(shí)驗(yàn)室研究的德雷克塞爾大學(xué)工程學(xué)院教授尼古拉斯·阿爾瓦雷斯博士解釋道。

"一旦確認(rèn)了這一現(xiàn)象，這項(xiàng)研究就變成了一個(gè)完全不同的科學(xué)探索方向，"他補(bǔ)充道。

液體終究會(huì)斷裂

"這真是令人難以置信的發(fā)現(xiàn)，"利馬說(shuō)。"斷裂時(shí)發(fā)出的巨大爆裂聲甚至嚇了我一跳。起初我以為是機(jī)器壞了，但很快就意識(shí)到聲音來(lái)自被拉伸的液體。"

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵在于，液體只有在被高速拉伸而無(wú)法從應(yīng)力處"流走"時(shí)才會(huì)發(fā)生這種斷裂。與固體類似，這為應(yīng)力積累到足以形成突然斷裂提供了足夠時(shí)間。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)液體通常在約2兆帕的張力下發(fā)生斷裂。當(dāng)然，具體數(shù)值取決于液體的粘度。

粘度越高，似乎越容易斷裂。"這很可能適用于所有簡(jiǎn)單液體，包括水和油等常見(jiàn)例子……這從根本上改變了我們對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的理解，"她補(bǔ)充道。

"盡管粘彈性和聚合物液體——比如歐不裂或自制粘液——已表現(xiàn)出類似固體的斷裂行為，但簡(jiǎn)單液體一直被認(rèn)為在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上會(huì)持續(xù)變形，因此不會(huì)斷裂，"利馬表示。

至于這對(duì)實(shí)驗(yàn)室外的現(xiàn)實(shí)世界意味著什么，它可能為各個(gè)行業(yè)開辟一些有趣的研究方向。"證明粘性效應(yīng)足以促進(jìn)類似固體的斷裂行為，為這一科學(xué)探究領(lǐng)域開啟了一個(gè)充滿新問(wèn)題的世界，"她說(shuō)。

未來(lái)有趣的研究方向

例如，使用液體聚合物的3D打印技術(shù)，可能從對(duì)液體斷裂極限的更好理解中受益。而將液體拉伸成纖維的纖維制造工藝，顯然也能從這些見(jiàn)解中獲益。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以研究血液等液體是否會(huì)在特定條件下斷裂并尋找避免方法。液壓系統(tǒng)則是另一個(gè)有趣的研究方向。

"這表明許多其他彈性液體也可能在相對(duì)相似的臨界應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生斷裂，"利馬補(bǔ)充道。"這指向一種相對(duì)獨(dú)立于化學(xué)性質(zhì)、可能廣泛適用于各類液體的現(xiàn)象，"她解釋道。

另一個(gè)有趣的研究方向可能是船舶或潛艇螺旋槳、水泵及部分聲納系統(tǒng)中的空化現(xiàn)象。其中微小氣泡形成后劇烈潰滅，會(huì)損壞金屬、產(chǎn)生沖擊波并發(fā)出噪音。

隨著對(duì)相關(guān)物理機(jī)制的更深入理解，未來(lái)或許有可能限制甚至消除空化問(wèn)題。

"既然我們已經(jīng)報(bào)告了這種未預(yù)期的行為，接下來(lái)重要的工作就是充分理解其發(fā)生原因以及該行為在其他液體中的表現(xiàn)，"利馬說(shuō)。"觀察這一發(fā)現(xiàn)如何應(yīng)用于纖維紡絲及其他使用粘性液體的領(lǐng)域也將十分有趣，"她補(bǔ)充道。

該研究論文已發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》期刊。

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