Het is momenteel een uitdaging om de stabiliteit van visco-elastische structuren te bepalen, aangezien schijnbaar stabiele conformaties geleidelijk kunnen kruipen (plastische vervorming van een materiaal onder spanning als functie van de tijd) totdat hun stabiliteit verloren gaat. Hoewel een waarneembaar kruipend effect niet noodzakelijkerwijs leidt tot instabiliteit van visco-elastische vaste stoffen, onderzoekers zijn momenteel beperkt met numerieke simulaties om de toekomstige stabiliteit te voorspellen ten opzichte van theoretische voorspellende tools. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Erez Y. Urbach en Efi Efrati in natuurkunde en complexe systemen aan het Weizmann Institute of Science, Israël, beschreven visco-elastische vaste stoffen door middel van een evoluerende momentane referentiemetriek om elastische spanningen te meten. De transparante en intuïtieve methoden die in dit werk zijn afgeleid voor onsamendrukbare visco-elastische vaste stoffen, hebben de kwestie van toekomstige stabiliteit teruggebracht tot alleen statische berekeningen. Het team toonde de voorspellende kracht van de aanpak door de subtiele mechanismen van vertraagde instabiliteit in dunne elastomere omhulsels te begrijpen om kwantitatieve overeenstemming met experimenten aan te tonen.

Kruipende beweging in de natuur

Een relatief langzame kruipende beweging ligt ten grondslag aan de knappende Venus-vliegenval - een van de snelste bewegingen in het plantenrijk. Soortgelijke kruip wordt waargenomen voordat dunne elastomere schalen breken, bekend als springpoppers die een fractie van een seconde meegaan. Terwijl de langzame kruipende beweging van schelpen elastisch stabiel lijkt, blijvende orden van grootte langer, die op een veel grotere schaal kunnen worden opgemerkt op de aardkorst vóór een naschok van een aardbeving. Onderzoekers leren nog steeds de exacte rol van visco-elasticiteit in naschokken vanwege het ontbreken van een voorspellend theoretisch kader om de toekomstige stabiliteit van dergelijke systemen te detecteren. In elk van de geschetste voorbeelden de langzame visco-elastische stroming in het materiaal kan het systeem tot instabiliteit leiden, veroorzaakt een abrupte afgifte van intern opgeslagen elastische energie. Hoewel wetenschappers de variabelen kunnen bepalen die visco-elastisch gedrag bepalen, de mechanismen van vertraagde instabiliteiten in visco-elastische vloeistoffen blijven slecht begrepen. In dit werk, Urbach en Efrati hebben het kenmerk van visco-elastische instabiliteit kwantitatief aangepakt door een metrische beschrijving te gebruiken.

Het team beschreef het gedrag van de materialen als een snelle elastische respons ten opzichte van tijdelijk evoluerende testlengtes die kunnen veranderen als gevolg van langzame visco-elastische stroming. Ze interpreteerden de microscopische respons in het materiaal en voorspelden de toekomstige stabiliteit van onbeperkte visco-elastische structuren. Urbach et al. verklaarde alle relaties van lineaire visco-elastische materialen door middel van ingewikkelde berekeningen van reksnelheid met een spanningsrelaxatiefunctie, vervolgens afgeleide wiskundige relaties voor eendimensionale systemen in dit werk; waarvan sommige afhankelijk waren van materiaaleigenschappen zoals de Young's modulus en de Poisson's ratio. Onmiddellijke incrementele vervormingen veroorzaakten verhoogde lineaire spanning voor een puur elastische respons in het materiaal. Aangezien visco-elastische materialen de neiging hebben om dissipatief te zijn (thermodynamisch open), de definitie van een elastische vrije energie kan onvolledig zijn. De wetenschappers elimineerden daarom traagheid uit het systeem en benaderden de beweging van het materiaal tot een quasi-toestand die zich ontwikkelt tussen elastische evenwichtstoestanden. Als resultaat, een gegeven momentane referentiemetriek kan meerdere elastisch stabiele configuraties opleveren.

Visco-elastische instabiliteiten door de metrische beschrijving

De tijdsafhankelijke momentane referentiemetriek van het materiaal zou op deze manier kunnen evolueren om nieuwe stabiele configuraties te verwerven, bestaande stabiele punten samenvoegen, of ervoor zorgen dat stabiele elastische configuraties hun stabiliteit verliezen. In het laatste scenario, de langzame visco-elastische evolutie zal worden gevolgd door een snelle snap, wat de grootste moeilijkheid benadrukt om de stabiliteit van visco-elastische structuren te voorspellen. Deze functie staat bekend als tijdelijke bistabiliteit, pseudo-bistabiliteit of kruipbuiging. Er moeten twee verschillende processen plaatsvinden voordat onsamendrukbare lineair visco-elastische vaste stoffen in instabiliteit kruipen. Eerst, een elastisch stabiele toestand zal gedurende een bepaalde tijd stabiliteit verkrijgen door visco-elastische relaxatie onder een externe belasting. Als de externe belasting wordt verwijderd, het lichaam zal de nieuw verworven stabiele toestand aannemen, naast visco-elastische kruip voor de resulterende instabiliteit. Echter, een verworven stabiele toestand is van voorbijgaande aard (tijdelijk). Op deze manier, Urbach et al. gebruikte de metrische beschrijving van visco-elasticiteit om een ​​beeld te krijgen van het mechanisme dat de stabiliteit van visco-elastische structuren bepaalt.

Experimentele resultaten

De berekeningen die in dit werk werden uitgevoerd, brachten veel kwalitatieve kenmerken van visco-elastische instabiliteiten aan het licht. De wetenschappers testten vervolgens de kwantitatieve voorspellingen van de theorie door experimenteel de respons van conische poppers van siliconenrubber te onderzoeken. Voor deze, ze gegoten siliconenrubber poppers als afgeknotte conische schalen om eenvoudiger controle over de dikte van het materiaal te krijgen. Naarmate de dikte toenam, de bistabiliteit nam af, toen schoot de popper op een bepaald moment meteen terug. De wetenschappers produceerden 50 verschillende conische poppers met verschillende geometrieën en testten hun fasen om experimenteel de fasegrenzen van visco-elastische eigenschappen te bepalen.

Het hier gepresenteerde werk was vergelijkbaar met eerdere studies over elastoplastiteit. De metrische theorie kan worden toegepast op isotrope onsamendrukbare visco-elastische vaste stoffen om basisregels voor visco-elastische instabiliteiten te verschaffen. Om ervoor te zorgen dat een bepaalde structuur instabiel wordt, het kruipen had moeten zijn voorafgegaan binnen een tijdsbestek waarin de constructies onder een externe belasting werden gehouden. De theorie was specifiek krachtig bij toepassing om de experimenteel vertraagde instabiliteit in dunne elastomere omhulsels te beschrijven. Deze resultaten zullen licht kunnen werpen op de rol van visco-elasticiteit bij het veroorzaken van vertraagde naschokken van aardbevingen. Op deze manier, de hier voorgestelde metrische beschrijving zal een theoretisch kader bieden om vertraagde visco-elastische instabiliteiten te begrijpen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk