آزمایشات، "آستانه ناپایداری" مواد الاستیک-پلاستیک را آشکار می‌کند

 سس مایونز.
اعتبار: © Mara Zemgaliete / Adobe Stock
   

آریندام بانرجی، استادیار مهندسی مکانیک و مکانیک در دانشگاه لاهی، تحولات مواد در محیط های شدید را بررسی می کند. او و تیمش چندین وسیله را برای بررسی مؤثر پویایی مایعات و مواد دیگر تحت تاثیر شتاب زیاد و نیروی گریز از مرکز ساخته اند.
 
یکی از زمینه های مورد توجه، ناپایداری رالی-تیلور است، که بین مواد با چگالی های مختلف، زمانی که گرادیان های چگالی و فشار در جهات مخالف هستند ویک لایه بندی ناپایدار را ایجاد می کنند، رخ می دهد.
 
بانرجی می گوید: "در حضور گرانش - و یا هر میدان شتاب دهنده‌ای - دو ماده در داخل یکدیگر شبیه " انگشتان " نفوذ می کنند."
 
به گفته بانرجی، درک ناپایداری عمدتا به مایعات (مایعات یا گازها) محدود می شود. در مورد سیر تحول ناپایداری در مواد جامد شتابان چیز زیادی نمی دانیم. مقیاس های زمانی کوتاه و عدم اطمینان اندازه گیری های جامدات شتابان، تحقیق در مورد این نوع مواد را خیلی چالشی می کند.
 
بانرجی و تیم او در تشخیص رابط بین یک ماده الاستیک-پلاستیک و یک ماده سبک تحت شتاب موفقیت حاصل کرده اند. آنها کشف کردند که شروع ناپایداری - یا "آستانه ناپایداری" - به اندازه دامنه (اختلال) و طول موج (فاصله بین لبه های یک موج) مربوط می شود. نتایج آنها نشان داد که برای هر دو اختلال دو بعدی و سه بعدی (یا حرکت) کاهش دامنه اولیه و طول موج، باعث تولید یک رابط ثابت تر می شد، و از آن طریق افزایش شتاب مورد نیاز برای ناپایداری حاصل می شد..
 
این نتایج در مقاله ای که در Physical Review E منتشر شد، به نام "آزمایش های ناپایدری رالی-تیلور با مواد الاستیک-پلاستیک" توصیف شده است. علاوه بر بانرجی، همکارانش شامل رینوش پلاوراپاپو (دانشجوی فعلی دکترای) و پاملا روچ (دانشجوی سابق M.S.) در گروه بانرجی هستند.
 
بانرجی می گوید: "در جامعه علمی بحث های مداومی در مورد این که آیا رشد ناپایداری یک تابع از شرایط اولیه است یا یک روند فاجعه بار بیشتر محلی است وجود داشته است." آزمایشات ما نتیجه گیری قبلی را تایید می کند: رشد رابط به شدت وابسته به انتخاب شرایط اولیه، مانند دامنه و طول موج است."
 
در آزمایشات، سس مایونز واقعی هلمن به داخل یک مخزن پلکسی گلاس ریخته شد. اختلال های موج مانند مختلفی بر روی سس مایونز شکل گرفت و سپس نمونه بر روی یک آزمایش چرخ چرخان شتابانده شد. رشد ماده با استفاده از یک دوربین با سرعت بالا (500 فریم در ثانیه) رد یابی شد. الگوریتم پردازش تصویر، که در Matlab نوشته شده بود، برای محاسبه پارامترهای مختلف مرتبط با ناپایداری اعمال شد. برای اثر دامنه، شرایط اولیه از w / 60 تا w / 10 متغیر بود در حالی که طول موج از w / 4 به w متغیر بود تا اثر طول موج را بررسی کند (w اندازه عرض ظرف را نمایندگی می کند). سپس نرخ رشد آزمایشی برای ترکیب های مختلف طول موج و دامنه با مدل های تحلیلی موجود برای چنین جریاناتی مقایسه شد.
 
بانرجی می گوید: این کار به محققان اجازه می دهد که هر دو تحول الاستیک-پلاستیک و ناپایداری ماده را مجسم کنند، در حالی که یک پایگاه داده مفید برای توسعه، اعتبارسنجی و بررسی مدل های چنین جریان هایی را فراهم می کنند.
 
او اضافه می کند که درک جدید از "آستانه ناپایداری" مواد الاستیک-پلاستیک تحت شتاب می تواند در کمک به حل چالش های ژئوفیزیک، فیزیک نجومی، فرایندهای صنعتی مانند جوشکاری انفجاری و مسائل فیزیک چگال انرژی بالا در ارتباط با فیوژن محدودیت اینرسی ارزشمند باشد.
 

بانرجی روی یکی از امیدبخش ترین روش ها برای دستیابی به همجوشی هسته ای به نام محدودیت اینرسی می کند. در ایالات متحده، دو آزمایشگاه بزرگ برای این تحقیق عبارتند از تسهیلات ملی اشتعال در آزمایشگاه ملی لورنس لیورمور در لیورمور کالیفرنیا – که بزرگترین آزمایش فیوژن عملیاتی محدودیت اینرسی در ایالات متحده است - و آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو. بانرجی با هر دو کار می کند. او و تیمش در حال تلاش برای درک هیدرودینامیک اساسی واکنش فیوژن و همچنین فیزیک آن هستند.
 
در آزمایش های محدودیت اینرسی، گاز (ایزوتوپ های هیدروژن شبیه آنچه در فیوژن مغناطیسی است) در داخل ساچمه های فلزی دارای سایز نخود، منجمد می شود. ساچمه ها در یک اتاقک قرار می گیرند و سپس پرتو لیزرهای با توان بالا به آنها زده می شود که گاز را فشرده کرده و دمای آن را تا چند میلیون کلوین - حدود 400 میلیون درجه فارنهایت – بالا می برد و شرایط را برای همجوشی فراهم می کند.
 
انتقال عظیم گرما، که در چند نانو ثانیه اتفاق می افتد، فلز را ذوب می کند. تحت فشرده سازی کلان، گاز داخل می خواهد منفجر شود، و باعث ایجاد یک نتیجه ناخواسته می شود: قبل از این که موعد فیوژن برسد کپسول منفجر می شود. بنارجی توضیح می دهد که یک راه برای درک این پویایی، تصور این است که بادکنکی در حال فشرده شدن است.
 
بنارجی می گوید: "همانطور که بادکنک فشرده می شود، هوای داخل، ماده‌ی محدود کننده آن را هل می دهد و تلاش می کند به بیرون راه پیدا کند." "در نقطه ای، بادکنکِ تحت فشار خواهد ترکید. این همان چیزی است که در یک کپسول فیوژن اتفاق می افتد. مخلوط کردن گاز و فلز مذاب موجب انفجار می شود."
 
بانرجی اضافه می کند برای جلوگیری از اختلاط، لازم است شما بدانید که چگونه فلز مذاب و گاز داغ شده در مکان اول مخلوط شوند.
 
برای انجام این کار، با ایزوله کردن فیزیکِ آزمایش با برداشتن گرادین دما و واکنش های هسته ای، گروه او آزمایش هایی را انجام می دهند که شرایط محدودیت اینرسی را تقلید می کنند.
 
بانرجی و تیمش بیش از چهار سال صرف ساختن دستگاه مخصوص این آزمایشات کرده اند. آزمایشگاه در طبقه اول آزمایشگاه پکارد لاهی قرار دارد و این آزمایشی در نوع خود منحصر به فرد در جهان است، زیرا می تواند مخلوط شدن دو سیال را در شرایط مربوط به آنها در فیوژن محدودیت اینرسی مطالعه کند. در جامعه علمی بحث های مداومی در مورد این که آیا رشد ناپایداری یک تابع از شرایط اولیه است یا یک روند فاجعه بار بیشتر محلی است وجود داشته است. تجهیزات پیشرفته ای نیز برای تشخیص جریان موجود است. این پروژه ها توسط وزارت انرژی، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و بنیاد ملی علوم تامین هزینه می شود.
 
یکی از راه هایی که محققانی مانند بانرجی فلز مذاب را تقلید می کنند از طریق استفاده از سس مایونز است. او می گوید خواص مواد و پویایی فلز در دمای بالا بسیار شبیه به سس مایونز در دمای پایین است.
 
دستگاه تیم دوباره سرعت باور نکردنی‌ای ایجاد می کند که در آن گاز و فلز مذاب مخلوط می شوند. آنها داده ها را از آزمایشاتی که اجرا می کنند جمع آوری می کنند و سپس آنها را به یک مدل توسعه یافته در آزمایشگاه ملی لس آلاموس تغذیه می کنند.
 
بانرجی توضیح می دهد که آنها یک مسأله بسیار پیچیده را برداشته و آن را به شش یا هفت مسأله‌ی کوچکتر تقسیم کرده اند. "تعدادی دانشمند مواد وجود دارند که روی جنبه های خاصی از مسأله کار می کنند؛ محققانی مانند من هم هستند که روی مکانیک سیالات متمرکز هستند - همه آنها در حال تغذیه دادن به مدل های مختلفی هستند که در آینده ترکیب خواهند شد."
 

منبع: سایت ساینس دیلی