柔らかい液滴が硬い表面を侵食する謎を解く新しい研究成果(New study solves mystery of how soft liquid droplets erode hard surfaces)

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ミネソタ大学の研究により、より優れた耐浸食性材料につながる可能性がある。 University of Minnesota research could lead to better, more erosion-resistant materials

2022-03-30 ミネソタ大学

・ミネソタ大学の研究者が率いる研究により、液体飛沫が硬い表面を侵食する能力がある理由が明らかになりました。この発見は、エンジニアがより優れた耐侵食性材料を設計するのに役立つ可能性があります。
・研究者らは、新たに開発した技術を用いて、液滴が表面に衝突した際に生じるせん断応力や圧力など、これまで視覚的にしか研究されていなかった隠れた量を測定することができました。
・『滴る水は石をくり抜く』ということわざがあります。『粘り強くやりなさい』という道徳的な教えが込められています。しかし、水滴のような柔らかいものが岩のような硬いものにぶつかると、『なぜ水滴の衝撃でダメージが全くないのだろう』と考えざるを得ません。その疑問が研究の動機です」。(ミネソタ大学化学工学・材料科学部のXiang Cheng准教授)
・「高速応力顕微鏡法」は、液滴が表面に衝突したときの力、応力、圧力を直接測定する方法である。・液滴の力は液滴の中心に集中するのではなく、液滴とともに広がっていくこと、また、液滴が広がる速度は短時間で音速を超え、表面に衝撃波を発生させることを発見しました。液滴は小さな爆弾のようなもので、その衝撃エネルギーを爆発的に放出し、時間をかけて表面を侵食するのに必要な力を与えているのです。
・本論文は、Nature Research社が発行する査読付きオープンアクセス科学雑誌「Nature Communications」に掲載されています。

<関連情報>

落下衝撃の応力分布と表面衝撃波 Stress distribution and surface shock wave of drop impact

Ting-Pi Sun,Franco Álvarez-Novoa,Klebbert Andrade,Pablo Gutiérrez,Leonardo Gordillo &Xiang Cheng

Nature Communications

Published: 31 March 2022

figure 1

Abstract

Drop impact causes severe surface erosion, dictating many important natural, environmental and engineering processes and calling for substantial prevention and preservation efforts. Nevertheless, despite extensive studies on the kinematic features of impacting drops over the last two decades, the dynamic process that leads to the drop-impact erosion is still far from clear. Here, we develop a method of high-speed stress microscopy, which measures the key dynamic properties of drop impact responsible for erosion, i.e., the shear stress and pressure distributions of impacting drops, with unprecedented spatiotemporal resolutions. Our experiments reveal the fast propagation of self-similar noncentral stress maxima underneath impacting drops and quantify the shear force on impacted substrates. Moreover, we examine the deformation of elastic substrates under impact and uncover impact-induced surface shock waves. Our study opens the door for quantitative measurements of the impact stress of liquid drops and sheds light on the origin of low-speed drop-impact erosion.

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