Dessa typer av cirkulära sprickor som först bevittnades på vindrutorna på supersoniska jets som flyger genom regnskogar kan hjälpa forskare att skapa bättre behandlingar för njursten. Upphovsman:Duke University
Ett plan måste gå ganska snabbt för att bara en regndroppe ska spricka vindrutan, men det kan hända. Nu, nya modeller av fysiken bakom den osannolika bedriften kan bara hjälpa läkare att spricka njursten i bitar.
När överljudsstrålar först utvecklades för kommersiellt bruk på 1960 -talet, forskare upptäckte ett märkligt fenomen som ibland förekommer på testflygningar genom regnskogar. Även om regndroppar nästan inte väger någonting, de kan skapa ringformade sprickor i jets betydande vindrutor.
Även om forskare från början hade svårt att förklara denna nyfikenhet, Professorerna Frank Philip Bowden och John Field vid University of Cambridge erkände så småningom ytvågor som de skyldiga. Eftersom ytvågor sprids i endast två dimensioner, de packar en mycket kraftfullare slag än sina tredimensionella motsvarigheter. Vissa detaljer om fenomenet, dock, har förblivit dåligt förstådda på grund av brist på matematik för att beskriva det och experimentella inställningar för att validera föreslagna modeller.
I ett nytt papper publicerat 1 november i Physical Review Research , Pei Zhong, professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke University, och hans tidigare doktorand Ying Zhang, nu en akustisk ingenjör för Bose, har täppt det gapet i vetenskaplig kunskap.
Spänningarna som orsakas av en läckande Rayleigh-ytvåg spåras med en höghastighetskamera (vänster) och jämförs med nya modeller av fenomenet (höger). De cirkulära sprickorna som dessa typer av ytvågor skapar sågs först i vindrutorna på supersoniska jets som flyger genom regnskogar och kan nu utnyttjas för att bryta isär njursten. Kredit:Duke Univesity
Paret skapade ett experimentellt system för att visualisera stressen som skapas av sådana ytvågor. De satte en litotripsy -enhet som är utformad för att krossa njursten med ljudvågor i en kärl med vatten täckt av ett glasskiva, startade sedan en punktkällasexplosion som expanderade som en sfärisk stötvåg. Beroende på vinkeln vid vilken chockvågan träffar glaset, den kan producera ytvågor som sprider sig på gränsen för vatten-glas.
Med en höghastighetskamera, laget mätte hastigheten på olika element i en chockvåg under de ögonblick som det tar att sprida sig genom glaset. Zhang använde dessa mätningar för att validera en ändlig elementmodell konstruerad med hjälp av en multifysikprogramvara som kallas COMSOL. Modellerna reproducerade framgångsrikt egenskaperna hos en serie bulk- och ytvågor som ofta observeras i sådana situationer, inklusive en som kan rädda människor från att behöva operation för att ta bort njursten.
Forskarna upptäckte att den typ av våg som främst är ansvarig för det mesta av stressen och skadorna - kallad läckande Rayleigh -våg - förökar sig mycket snabbare än en andra typ av våg som kallas en evanescerande våg. Medan de skapas samtidigt på vattenglasgränsen, den läckande Rayleigh -vågen drar så småningom bort från den evanescerande vågen, vilket är ögonblicket och platsen för den högsta dragspänningen som orsakas av fenomenet.
De upptäckte också att de cirkulära sprickorna som ursprungligen observerades på de supersoniska jetvindrutorna inte nödvändigtvis bildas vid denna tidpunkt - de kräver en befintlig defekt i glaset för att komma igång. Men väl påbörjad, sprickan sprider sig längs en cirkulär bana, efter den första huvudspänningen i det fasta motståndet från den framåtskridande läckande Rayleigh -vågen.
"Utmaningen för behandling av njursten är att reducera stenarna till mycket fina fragment så att läkarna inte behöver följa upp några kompletterande förfaranden, "sa Zhong." Baserat på insikten från denna modell, vi kanske kan optimera formen på stötvågorna och litotripterdesignen för att skapa mer spänning på ytan av njurstenarna för att öppna upp defekterna mer effektivt."
