Su scala più piccola, i materiali ordinari si comportano in modi che sembrano sfidare le leggi della fisica. Ma queste apparenti contraddizioni riflettono i minimi dettagli che dobbiamo ancora scoprire in natura, come dimostrato da una nuova scoperta che mostra come i solidi possano supportare forme ondulatorie che tipicamente vediamo trascinarsi dietro le barche sull’acqua.
In un recente Lettere di revisione fisica studio, i ricercatori di Harvard descrivono come sia possibile progettare scie costanti a forma di V che si increspano sulle superfici di materiali ultramorbidi ed elastici come gel o tessuti biologici. Sulla base di esperimenti di laboratorio, il group ha sviluppato un modello teorico per spiegare questo comportamento, collegando due teorie classiche della fisica delle onde superficiali dei fluidi e dei solidi. Questa rinnovata prospettiva sulla fisica dei solidi apre nuove strade per la progettazione di materiali morbidi naturali e ingegnerizzati, in particolare per scopi medici.
Sveglie, onde
Le ultime scoperte evidenziano un legame precedentemente trascurato tra i modelli di scia di Kelvin e le onde di Raleigh, observe per apparire rispettivamente nei fluidi e nei solidi. Entrambi appaiono in contesti molto familiari.
Kelvin si svegliaspiegate per la prima volta dall’omonimo matematico scozzese, sono le increspature a forma di V che si formano dietro le barche o gli uccelli acquatici che scivolano sull’acqua. Onde di Raleighd’altra parte, si riferiscono a movimenti fluttuanti attraverso la superficie dei solidi, come le onde sismiche prodotte dai terremoti.
Secondo uno studio di Harvard, i fisici in precedenza presumevano che i due fossero fenomeni fondamentalmente diversi dichiarazione sui risultati. Tuttavia, il group dietro il nuovo studio si è chiesto se le cose sarebbero andate diversamente per i solidi morbidi ed elastici, che hanno una distinta, “delicata interazione tra inerzia, elasticità, gravità e capillarità” che potrebbe potenzialmente imitare le proprietà fisiche sia dei solidi che dei liquidi, secondo lo studio.
“Sospettavo che dovesse esserci un modo naturale per interpolare dolcemente il comportamento delle onde superficiali sui solidi e sui fluidi”, ha detto nella dichiarazione L. Mahadevan, autore senior dello studio e matematico applicato, “in parte ispirato dall’osservazione della scia delle barche lungo il Charles, dove cammino quasi ogni giorno.”
Testare il ponte
Mahadevan e colleghi hanno prima allestito un grande serbatoio riempito con un idrogel ultramorbido, utilizzando un sottile ugello d’aria come fonte di pressione. Il group ha poi registrato eventuali cambiamenti evidenti nella superficie dell’idrogel, tracciando l’angolo dei disturbi a forma di V rispetto advert altri parametri come la velocità della fonte di pressione.
I ricercatori hanno scoperto che l’angolo della scia dipende dalla velocità con cui si muove il disturbo rispetto alla velocità con cui le onde viaggiano attraverso il materiale, che è modellato dalla sua morbidezza. L’angolo della scia è più stretto con disturbi più rapidi e materiali più morbidi, riporta il giornale.
Codificato in increspature
È importante sottolineare che questa nuova relazione “trasforma la scia in un segnale diagnostico naturale”, hanno spiegato i ricercatori. Osservando come le onde si propagano attraverso la superficie di un solido morbido, i ricercatori possono dedurre le proprietà del solido senza premerlo o tagliarlo. Ciò ha implicazioni reali per i contesti medici. Advert esempio, i medici misurano la rigidità dei tessuti per determinare se i pazienti hanno tumori, quindi questo potrebbe fornire informazioni su metodi relativamente non invasivi per testare anomalie critiche di salute, ha detto il group.
D’altra parte, le scoperte sono intrinsecamente affascinanti, poiché dimostrano che, in fisica, anche le teorie più solide e apparentemente indipendenti potrebbero avere connessioni inaspettate.
“Gran parte del nostro lavoro riflette un istinto scientifico più ampio: cercare il chic e l’arcano, nascosto nel mondano”, ha detto Mahadevan. “Questo è un altro esempio di come il mondo quotidiano sia pieno di meraviglie, se solo scegliamo di vedere con attenzione.”
