來自德雷克塞爾大學的研究人員發現,在特定條件下,液體似乎可以像固體一樣斷裂。這一發現可能會改變我們對流體力學的理解,因為現在看來,粘性液體在受到足夠拉伸力時會突然斷裂。與固體不同,固體會先伸展然後斷裂,液體過去一直被認為沒有斷裂點。然而,這項新研究挑戰了這一信念。
德雷克塞爾工程學院的助理研究教授 Thamires Lima 博士表示:「我們的研究結果顯示,如果用足夠的面積拉開,普通液體——即流動的液體——會達到我們所稱的『臨界應力點』,在那時它會像固體一樣斷裂。」有趣的是,團隊還發現液體斷裂時會發出突然的聲音,聽起來就像固體破裂的聲音。這一現象同樣令人意外。
德雷克塞爾工程學院的教授 Nicolas Alvarez 博士解釋道:「我們觀察到的現象非常出乎意料,甚至需要重複實驗幾次來確認這是否真實。」他補充說:「一旦我們確認了這一現象,研究便轉變為完全不同的科學工作。」液體果真可能會斷裂。
Lima 表示:「這是一個令人驚訝的現象。」她提到斷裂時發出的聲音非常響亮,甚至讓她感到驚訝。起初,她以為機器壞了,但很快意識到聲音來自於拉伸的液體。研究的關鍵在於,液體只有在拉開速度足以防止其流動時才會出現斷裂。這與固體類似,提供了足夠的時間讓應力累積,最終導致突然的斷裂。
根據實驗,團隊發現液體在約 2 兆帕的張力下會斷裂。當然,具體數字取決於液體的粘度(厚度)。粘度越高,斷裂似乎越容易。這對所有普通液體都可能成立,包括水和油等常見例子,進一步改變了我們對流體動力學的理解。
Lima 指出:「雖然粘彈性和聚合物液體——例如 Oobleck 或自製的粘液——已經展示了固體般的斷裂行為,但普通液體過去一直被認為在其玻璃轉變溫度以上會持續變形,因此不會斷裂。」至於這一發現對實驗室以外的現實世界意味著什麼,可能會在各行各業開啟一些有趣的研究方向。
例如,使用液體聚合物的 3D 打印技術可以從更好地理解液體斷裂極限中受益。纖維製造,通常將液體拉伸成線,顯然也會從這些見解中獲益。在醫學科學中,像血液這樣的液體可以被研究,以了解在某些條件下是否會發生斷裂,並尋找避免的方式。液壓學也可能是一個有趣的研究領域。
Lima 補充道:「這表明,許多其他彈性液體也可能在相對相似的臨界應力點斷裂。」這指向一種相對不依賴於化學的現象,並且可能適用於各種液體。另一個有趣的研究領域可能是來自船舶或潛艇螺旋槳、泵和某些聲納系統的氣蝕。在這裡,微小的氣泡形成後會猛烈崩潰,可能損壞金屬、產生衝擊波並發出噪音。隨著對這一物理過程的更好理解,未來或許能夠限制甚至消除氣蝕問題。
Lima 表示:「現在我們已經報告了這一意外行為,完全理解其發生原因以及該行為在其他液體中的表現是下一個重要步驟。」她補充道:「看看這一發現如何應用於幫助纖維紡織及其他使用粘性液體的應用也會非常有趣。」研究結果已發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊中。




