Turbolenza: sono difetti che viaggiano più velocemente del suono

Turbolenza: sono difetti che viaggiano più velocemente del suono

Alla fine di mezzo secolo di dibattito, i ricercatori hanno scoperto che piccoli difetti lineari possono propagarsi attraverso un materiale più velocemente delle onde sonore. Questi difetti di linea, o dislocazioni, conferiscono ai metalli la loro resistenza e malleabilità, ma possono anche causare guasti catastrofici al materiale.

Questa scoperta apre nuove prospettive sui tipi di danni insoliti che questi disturbi possono causare a vari materiali in condizioni estreme.

Velocità di rimozione

Gli scienziati dibattono da quasi 60 anni se i disturbi possano propagarsi attraverso i materiali più velocemente del suono. Molti studi hanno concluso che non è possibile, mentre alcuni modelli computerizzati hanno suggerito che sia possibile, a condizione che inizi a muoversi più velocemente della velocità del suono. Per raggiungere istantaneamente questa velocità, sarebbe necessario eseguire un grande shock.

Il suono si propaga attraverso i materiali solidi molto più velocemente che attraverso l’aria o l’acqua, a seconda della natura del materiale e della sua temperatura, tra gli altri fattori. Quando la velocità di suo figlio nell’aria è di 1.225 km/h, nell’acqua è di 5.400 km/h e nel diamante, la materia aggiuntiva di tutto, sono gli incredibili 64.000 km/h.

Un’onda d’urto che passa attraverso un materiale può creare difetti chiamati dislocazioni: piccoli spostamenti nel cristallo del materiale che si propagano attraverso di esso, lasciando dietro di sé i cosiddetti difetti di impilamento. A sinistra la disposizione regolare degli atomi nel materiale non è disturbata. A destra, le dislocazioni si sono spostate da sinistra a destra nel materiale, creando un errore di impilamento (viola) in cui gli strati adiacenti del cristallo non si allineano esattamente come dovrebbero. Credito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Esperimenti sui diamanti

Per ottenere le prime immagini dirette della velocità con cui può diffondersi la turbolenza, il gruppo di ricerca ha condotto esperimenti su piccoli cristalli di diamante sintetico. Diamond fornisce una piattaforma unica per studiare il modo in cui i materiali cristallini si deteriorano. I meccanismi di deformazione sono più semplici di quelli osservati nei metalli, rendendo più semplice l’interpretazione degli esperimenti di imaging a raggi X ultraveloci.

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I ricercatori hanno utilizzato i raggi X per scoprire che i disturbi si propagano attraverso il diamante più velocemente della velocità delle onde sonore trasversali, un fenomeno mai osservato prima in nessun materiale.

Per ottenere le prime immagini dirette della velocità del movimento della dislocazione, i ricercatori hanno utilizzato un intenso raggio laser per guidare le onde d’urto attraverso i cristalli di diamante. Hanno quindi utilizzato un raggio laser a raggi X per creare una serie di immagini a raggi X per modellare la disintegrazione e la diffusione su una scala temporale di miliardesimi di secondo. Le immagini, simili alle radiografie mediche che rivelano l’interno del corpo, sono state registrate su un rilevatore. Fonte: K. Katagiri/Università di Stanford

Sintetico

I risultati di questo studio potrebbero indicare che ciò che pensavamo di sapere sul cedimento più rapido possibile dei materiali era sbagliato. I ricercatori ora pianificano di tornare a un impianto laser a elettroni liberi a raggi X, come il SACLA o l’LCLS del mondo LentoPer vedere se la turbolenza può muoversi più velocemente della maggiore velocità longitudinale del suono nel diamante, il che richiederebbe shock laser più potenti. Se riuscissero a infrangere questa barriera del suono, sarebbero considerati veramente supersonici.

Questa immagine a raggi X, simile a una radiografia medica, ma scattata ad alta velocità utilizzando un laser a raggi X, mostra le onde d’urto che si propagano attraverso un cristallo di diamante. L’onda primaria è elastica. Segue un’onda plastica, che crea difetti nel materiale, chiamati turbolenza, che si propagano attraverso il materiale a velocità superiori a quella del suono. La freccia mostra il percorso e la direzione della dislocazione, che ha lasciato sulla sua scia un difetto lineare chiamato faglia di impilamento. La lussazione stessa è visibile sulla punta della freccia. Si possono osservare altri errori di impilamento che si propagano dal sito dello shock laser. Fonte: K. Katagiri/Università di Stanford

Per una migliore comprensione

1. Cos’è Khula?

Una dislocazione è un difetto lineare in un materiale cristallino. I disturbi conferiscono ai metalli la loro resistenza e malleabilità, ma possono anche causare guasti catastrofici ai materiali.

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Sì, i ricercatori hanno scoperto che i disturbi possono propagarsi nella materia più velocemente delle onde sonore, un fenomeno mai osservato prima.

I ricercatori hanno condotto esperimenti su piccoli cristalli di diamante sintetico utilizzando i raggi X per misurare la velocità con cui i disturbi si propagano attraverso il diamante.

4. Perché sono stati scelti i diamanti per questi esperimenti?

Diamond fornisce una piattaforma unica per studiare il modo in cui i materiali cristallini si deteriorano. I meccanismi di deformazione sono più semplici di quelli osservati nei metalli, rendendo più semplice l’interpretazione degli esperimenti di imaging a raggi X ultraveloci.

5. Quali sono le implicazioni di questa scoperta?

I risultati di questo studio potrebbero mettere in discussione ciò che pensavamo di sapere sul cedimento più rapido possibile dei materiali. I ricercatori intendono studiare se la turbolenza può muoversi più velocemente della maggiore velocità longitudinale del suono nel diamante, il che richiederebbe shock laser più potenti.

Didascalia immagine: Un intenso raggio laser (in alto a destra) colpisce un cristallo di diamante, creando onde d’urto (linee curve) e difetti di linea chiamati turbolenza che si propagano più velocemente della velocità del suono. I disturbi lasciano dietro di sé difetti di impilamento: linee che si estendono lontano dal punto di impatto. Credito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

fonte : https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adh5563

[ Rédaction ]

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