走进科学
majer @ 2019.11.07 , 11:00
雨滴能够撞破超音速飞机的挡风玻璃吗
如果飞机飞得足够快，能使雨滴在挡风玻璃上撞击出裂纹吗？这是有可能发生的。现在，物理学家想要利用背后的物理学模型来帮助医生治疗肾结石。
60年代，当超音速喷气机首次投入商业应用时，研究人员发现了一个奇怪的现象：试飞时要穿过雨幕，而即便轻微如雨滴，仍能够在喷气式飞机的挡风玻璃上造成环形裂纹。
尽管科学家最初难以解释，但剑桥大学的弗兰克·菲利普·鲍登教授和约翰·菲尔德教授最终还是将表面波视为罪魁祸首。由于表面波仅在二维方向上传播，因此它们比三维波具有更强大的冲击力。然而，由于缺乏刻画该现象的数学方法和验证模型的实验，我们对细节仍知之甚少。
杜克大学机械工程与材料科学教授Pei Zhong和他的前研究生、现任Bose声学工程师的Ying Zhang于11月1日在《物理评论研究》上发表了一篇新论文，填补了其中的空白。
他们利用高速摄像头，仅在波通过玻璃的瞬间就测量出冲击波在各个方向上的传播速度。应用被称为COMSOL的多物理场软件，Zhang借助测量值构建出有限元模型。模型成功地再现了可被观察到的一系列体波和表面波的特征。
研究人员发现，主要负责大部分应力和破坏力的波(被称为渗漏瑞利波)的传播速度要快于另一种被称为瞬逝波的波。他们还发现，最初在超音速喷气式飞机的挡风玻璃上观察到的圆形裂纹不一定总会出现——需要玻璃存在缺陷。但是一旦开始，裂纹就会沿着圆形轨迹传播，紧随前进的渗漏瑞利波引起固体中的第一个主应力。
Zhong说：“治疗肾结石的一大挑战是将结石破坏成非常细的碎片，这样医生就不必再进行任何侵入性的辅助手术。基于从我们模型里获得的见解，我们也许能够优化冲击波的形状和碎石机设计，从而在肾结石表面产生更大的张力，更有效地粉碎结石。”