Een vliegtuig moet behoorlijk snel gaan voordat een regendruppel zijn voorruit doet barsten, maar het kan gebeuren. Nutsvoorzieningen, nieuwe modellen van de fysica achter de onwaarschijnlijke prestatie kunnen artsen misschien helpen om nierstenen in stukken te breken.

Toen in de jaren zestig voor het eerst supersonische jets werden ontwikkeld voor commercieel gebruik, onderzoekers ontdekten een merkwaardig fenomeen dat soms voorkomt op testvluchten door regenwouden. Ook al wegen regendruppels bijna niets, ze zijn in staat om ringvormige scheuren te creëren in de substantiële voorruiten van de jets.

Hoewel wetenschappers aanvankelijk moeite hadden om deze nieuwsgierigheid te verklaren, Professoren Frank Philip Bowden en John Field van de Universiteit van Cambridge erkenden uiteindelijk oppervlaktegolven als de boosdoeners. Omdat oppervlaktegolven zich slechts in twee dimensies verspreiden, ze hebben een veel krachtigere stoot dan hun driedimensionale tegenhangers. Bepaalde details van het fenomeen, echter, zijn slecht begrepen gebleven vanwege een gebrek aan wiskunde om het te beschrijven en experimentele opstellingen om voorgestelde modellen te valideren.

In een nieuw artikel gepubliceerd op 1 november in Fysiek beoordelingsonderzoek , Pei Zhong, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke University, en zijn voormalige afgestudeerde student Ying Zhang, nu een akoestische ingenieur voor Bose, hebben die leemte in wetenschappelijke kennis gedicht.

Het paar creëerde een experimenteel systeem om de stress te visualiseren die door dergelijke oppervlaktegolven wordt veroorzaakt. Ze plaatsten een apparaat voor lithotripsie dat is ontworpen om nierstenen te verbrijzelen met geluidsgolven in een vat met water bedekt met een glasplaat, veroorzaakte vervolgens een puntbronexplosie die zich uitbreidde als een bolvormige schokgolf. Afhankelijk van de hoek waaronder de schokgolf het glas raakt, het kan oppervlaktegolven produceren die zich verspreiden over de waterglasgrens.

Met een hogesnelheidscamera, het team mat de snelheid van verschillende elementen van een schokgolf over de momenten die nodig zijn om zich door het glas voort te planten. Zhang gebruikte die metingen om een ​​eindig-elementenmodel te valideren dat was geconstrueerd met behulp van een multifysica-software genaamd COMSOL. De modellen reproduceerden met succes de kenmerken van een reeks bulk- en oppervlaktegolven die vaak in dergelijke situaties worden waargenomen, waaronder een die mensen kan redden van een operatie om nierstenen te verwijderen.

De onderzoekers ontdekten dat het type golf dat in de eerste plaats verantwoordelijk is voor de meeste stress en schade - een lekkende Rayleigh-golf genaamd - zich veel sneller voortplant dan een tweede type golf dat een verdwijnende golf wordt genoemd. Terwijl ze tegelijkertijd op de waterglasgrens worden gecreëerd, de lekkende Rayleigh-golf trekt uiteindelijk weg van de verdwijnende golf, dat is het moment en de locatie van de hoogste trekspanning veroorzaakt door het fenomeen.

Ze ontdekten ook dat de cirkelvormige scheuren die oorspronkelijk werden waargenomen op de supersonische straalwindschermen zich op dit punt niet noodzakelijkerwijs vormen - ze vereisen een bestaande imperfectie in het glas om te beginnen. Maar eenmaal begonnen, de scheur plant zich voort langs een cirkelvormig traject, na de eerste hoofdspanning in de vaste stof veroorzaakt door de oprukkende lekkende Rayleigh-golf.

"De uitdaging voor de behandeling van nierstenen is om de stenen te reduceren tot zeer fijne fragmenten, zodat de artsen geen aanvullende procedures hoeven uit te voeren, " zei Zhong. "Op basis van het inzicht dat door dit model is verkregen, we kunnen misschien de vorm van de schokgolven en het ontwerp van de lithotripter optimaliseren om meer spanning op het oppervlak van de nierstenen te creëren om de defecten efficiënter te openen."