Fysik af forrude-knækkende regndråber kunne nedbryde nyresten

Et fly skal køre ret hurtigt for at en regndråbe kan knække sin forrude, men det kan ske. Nu, nye modeller af fysikken bag den usandsynlige bedrift kan måske bare hjælpe lægerne med at knække nyresten i stykker.

Da supersoniske jetfly først blev udviklet til kommerciel brug i 1960'erne, forskere opdagede et mærkeligt fænomen, der nogle gange opstår på testflyvninger gennem regnskove. Selvom regndråber næsten ikke vejer noget, de er i stand til at skabe ringformede revner i dysernes store forruder.

Selvom videnskabsmænd oprindeligt havde svært ved at forklare denne nysgerrighed, Professorerne Frank Philip Bowden og John Field fra University of Cambridge anerkendte til sidst overfladebølger som synderne. Fordi overfladebølger kun spredes i to dimensioner, de har et meget mere kraftfuldt slag end deres tredimensionelle modstykker. Visse detaljer om fænomenet, imidlertid, er forblevet dårligt forstået på grund af mangel på matematik til at beskrive det og eksperimentelle opsætninger til at validere foreslåede modeller.

I et nyt papir udgivet 1. november i Physical Review Research , Pei Zhong, professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke University, og hans tidligere kandidatstuderende Ying Zhang, nu akustisk ingeniør for Bose, har lukket det hul i videnskabelig viden.

Parret skabte et eksperimentelt system til at visualisere den stress, der skabes af sådanne overfladebølger. De satte en litotripsi-anordning designet til at knuse nyresten med lydbølger i et kar med vand dækket af en glasplade, Derefter udløste en punktkildeeksplosion, der udvidede sig som en sfærisk chokbølge. Afhængigt af vinklen, hvormed stødbølgen rammer glasset, det kan producere overfladebølger, der breder sig på vandglasgrænsen.

Med et højhastighedskamera, holdet målte hastigheden af ​​forskellige elementer i en chokbølge i løbet af de blotte øjeblikke, det tager at forplante sig gennem glasset. Zhang brugte disse målinger til at validere en endelig elementmodel, der er konstrueret ved hjælp af en multifysiksoftware kaldet COMSOL. Modellerne reproducerede med succes karakteristikaene af en række bulk- og overfladebølger, der ofte observeres i sådanne situationer, herunder en, der kan redde folk fra at skulle opereres for at fjerne nyresten.

Forskerne opdagede, at den type bølge, der primært er ansvarlig for det meste af stress og skade - kaldet en utæt Rayleigh-bølge - forplanter sig meget hurtigere end en anden type bølge kaldet en flygtig bølge. Mens de er skabt på samme tid på vandglasgrænsen, den utætte Rayleigh-bølge trækker sig til sidst væk fra den flygtige bølge, som er tidspunktet og placeringen af ​​den højeste trækspænding forårsaget af fænomenet.

De opdagede også, at de cirkulære revner, der oprindeligt blev observeret på de supersoniske jetforruder, ikke nødvendigvis dannes på dette tidspunkt - de kræver en eksisterende ufuldkommenhed i glasset for at komme i gang. Men når først de er indledt, revnen forplanter sig langs en cirkulær bane, efter den første hovedspænding i det faste stof, der blev udløst af den fremadskridende utætte Rayleigh-bølge.

"Udfordringen ved behandling af nyresten er at reducere stenene til meget fine fragmenter, så lægerne ikke behøver at følge op med nogen hjælpeprocedurer, " sagde Zhong. "Baseret på den indsigt opnået gennem denne model, vi kan muligvis optimere formen af ​​chokbølgerne og lithotripterdesignet for at skabe mere spænding på overfladen af ​​nyrestenene for at åbne defekterne mere effektivt."