Физики из Университета Дьюка разработали методы, которые позволяют им моделировать высокоскоростные столкновения в искусственной почве и песке в лаборатории, а затем наблюдать за происходящим под землей крупным планом в сверхзамедленной съемке.
В исследовании, которое планируется опубликовать на этой неделе в журнале Physical Review Letters, они сообщают, что такие материалы, как почва и песок, на самом деле становятся прочнее, когда по ним наносят более сильный удар.
Полученные данные помогают объяснить, почему попытки продвинуть зенитные ракеты глубже, просто стреляя в них сильнее и быстрее, имели ограниченный успех, говорят исследователи. Снаряды действительно испытывают большее сопротивление и останавливаются раньше, когда увеличивается их скорость удара.
Исследование, финансируемое Агентством по уменьшению угрозы обороны, может в конечном итоге привести к лучшему контролю над проникающими в землю ракетами, предназначенными для уничтожения глубоко закопанных целей, таких как вражеские бункеры или запасы подземного оружия.
Чтобы смоделировать врезание ракеты или метеора в землю или песок, исследователи сбросили металлический снаряд с закругленным наконечником с потолка высотой семь футов в яму с бусинами.
Во время столкновения кинетическая энергия снаряда передается шарикам и рассеивается, когда они сталкиваются друг с другом под поверхностью, поглощая силу столкновения.
Чтобы визуализировать эти силы по мере их удаления от точки удара, исследователи использовали бусины из прозрачного пластика, которые по-разному пропускают свет при сжатии. При просмотре через поляризационные фильтры, такие как те, что используются в солнцезащитных очках, области наибольшего напряжения проявляются в виде ветвящихся цепочек света, называемых «силовыми цепями», которые перемещаются от одной бусины к другой во время удара, подобно разрядам молний, извивающимся по небу.
Металлический снаряд упал в бусины со скоростью шесть метров в секунду, или почти 15 миль в час.
Но, используя шарики различной твердости, исследователи смогли генерировать импульсы, которые проходили через шарики со скоростью от 67 до 670 миль в час.
Каждый удар был слишком быстрым, чтобы увидеть его невооруженным глазом, поэтому они записывали его с помощью высокоскоростной видеокамеры, которая снимает до 40000 кадров в секунду. Когда они воспроизвели его в замедленном режиме, они обнаружили, что разветвленная сеть силовых цепей, скрытых в бусинах, сильно варьировалась в зависимости от скорости удара.
По словам соавтора исследования Роберта Берингера, профессора физики в Duke, на низких скоростях основная нагрузка ложится на редкую сеть бусинок.
Но на более высоких скоростях силовые цепи становятся более протяженными, что приводит к тому, что энергия удара удаляется от точки удара намного быстрее, чем предсказывали предыдущие модели.
Новые контакты образуются между бортами на высоких скоростях, когда они прижимаются друг к другу, что усиливает материал.
«Представьте, что вы пытаетесь протолкнуться через переполненную комнату», — сказал соавтор исследования Абрам Кларк, в настоящее время постдокторант по машиностроению в Йельском университете. "Если вы попытаетесь бежать и протолкнуться через комнату быстрее, чем люди могут перестроиться, чтобы уйти с дороги, вы в конечном итоге окажете сильное давление и врежетесь в множество разгневанных людей."