Amido de milho e água. (Crédito: Cortesia da imagem da Universidade de Chicago)
A maioria das pessoas compra o amido de milho para fazer o creme ou molho, mas Scott Waitukaitis e Heinrich Jaeger tê-lo usado para resolver um problema de física de longa data com uma substância conhecida por gerações de leitores do Dr. Seuss como "Oobleck", e para cientistas como um líquido não-Newtoniano.
Esta substância, um líquido que pode instantaneamente transformar-se em um sólido sob a força de um impacto súbito, comporta-se de forma surpreendente. Ele consiste de uma simples mistura de amido de milho e água, e os adultos podem realmente funcionar através de uma cuba de este líquido, como tem sido feito muitas vezes em programas de televisão de jogos e programas como o MythBusters.
A Universidade de Chicago e Waitukaitis Jaeger suspeitar que muitas suspensões igualmente constituídos - líquidos carregados de partículas micro-empresas - irá se comportar exatamente da mesma maneira. Cientistas e engenheiros têm tentado explicar a física subjacentes deste fenômeno desde os anos 1930, mas com sucesso incompleto.
Explicações atuais predizem um espessamento da suspensão quando é submetido ao push-pull de forças de cisalhamento, mas estão longe de explicar os grandes forças necessárias para manter um adulto alto e seco durante a execução através de um conjunto de coisas.
Agora Waitukaitis e Jaeger relatório em 12 de julho da revista da revista Nature como compressão forças pode gerar um crescimento rápido, a massa sólida como na suspensão. O estudo culmina uma longa luta para compreender um fenômeno que provocou uma grande variedade de explicações ao longo dos anos.
Snowplow ação
"Descobrimos que quando você bate a suspensão, uma coluna sólido como cresce abaixo do local do impacto", disse Waitukaitis, um estudante graduado em física. "A forma como ela cresce é similar a como um limpa-neve funciona. Se eu empurrar uma pá na neve solta, uma grande pilha de neve compactada cresce para fora na frente de uma pá, o que torna mais difícil para me empurrar." Com a suspensão, o "limpa-neve" é causada por grãos de amido de milho individuais se acumulando na frente do objeto impactante e tornando-se temporariamente preso após a compressão parou todo o movimento.
Jaeger grupo tem estudado o fenômeno físico de "jamming" em vários contextos, como quando a criação de um vácuo transforma uma substância fluida, como borra de café em um sólido.
Manipulação de suspensões é importante para uma ampla gama de indústrias, desde a construção à biomedicina. Alguns engenheiros estão ainda a investigar estas suspensões como base para um novo tipo de armadura.
"Seria líquido, por isso estaria de acordo com uma forma particular, e quando é duramente atingida, ele sabe que precisa tornar-se difícil", disse Waitukaitis. É um material inteligente, um que aumenta a resistência com a quantidade de força aplicada contra ela.
Amido de milho e água individualmente comportam notavelmente diferente para a aplicação de força do que quando misturado. Com a água, um líquido normal, a resistência aos objectos intrusos é centenas de vezes mais pequenos. Um balde de grãos de amido de milho seco, entretanto, existe um serviço de cortesia estado atolado de gravidade, e atingir uma haste dentro do balde unjams os grãos. Com as misturas de amido de milho e água, o material começa desatolar o papel ea força romba dirige-o para jam localmente.
O experimento UChicago destaca como fenômenos complexos e muitas vezes intrigante surgir a partir de ingredientes simples, e como estabelecido formas de olhar para elas precisam ser revisitados com o benefício da tecnologia moderna. Historicamente, a maioria das experiências têm procurado em volumes relativamente pequenos de suspensões, e em primeiro lugar sob condições de cisalhamento contínua.
"Para perceber um fenômeno transiente do tipo que descrevemos, você precisa de um grande conjunto e você precisa olhar muito rápido", disse Jaeger, a William J. Friedman e Alicia Townsend Professor de Física.
O experimento UChicago fez exatamente isso com uma combinação de instrumentos de alta e baixa tecnologia, incluindo sensores de força, folhas de laser, raios-X, câmeras de alta velocidade, tendo imagens de 10.000 frames por segundo, e um misturador de cimento industrial.
Ingredientes Sujo
"É uma experiência incrivelmente confuso", disse Waitukaitis."Eu tenho um macacão azul eu uso todos os dias. Quando eu faço esses experimentos, eu estou totalmente coberta de amido de milho."
A experiência foi o primeiro a investigar a compressão directa nestas suspensões. A experiência mostra que conduz uma haste para a mistura de amido de milho e água facilmente gerada salienta 100 vezes maior do que as maiores tensões encontradas durante o cisalhamento.
Os pesquisadores descobriram que a sua vara de impacto iniciou um tipo choque frontal, em movimento que começa diretamente abaixo do objeto impactante e depois cresce para baixo, transformando a suspensão inicialmente líquido em um estado temporariamente preso. À medida que a frente desta região encravado avança, transforma a região líquido diretamente à frente dele. "Essencialmente, cresce a sua própria sólido como ele se propaga", disse Jaeger.
Os cientistas UChicago chamou este processo de "solidificação impacto ativado." Impactos são tipicamente processos destrutivos mas na suspensão que realmente levar à criação de um sólido a partir de um líquido, embora apenas temporariamente.
Waitukaitis e Jaeger agora estão estendendo este trabalho através da colaboração com pesquisadores da Universidade de Leiden na Holanda para modelar as frentes de choque propagam com mais detalhes. O também estão trabalhando em estreita colaboração com colegas UChicago Wendy Zhang, professor associado de física, e Ellowitz Jake, estudante de graduação em física. Zhang e Ellowitz estão desenvolvendo simulações para testar como a alteração dos ingredientes de várias interrupções afetam seu comportamento sob impacto.
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