Το Cornstarch Physics είναι ανοησίες διάτμησης
Το να γεμίζεις μια μικρή πισίνα με άμυλο καλαμποκιού και νερό ήταν εδώ και καιρό ένα κόλπο για το πάρτι των φυσικών. Πατήστε πάνω του αργά και θα βυθιστείτε, αλλά θα τρέξετε γρήγορα και το υγρό μείγμα θα υποστηρίξει το βάρος σας—σχεδόν σαν να έχει μετατραπεί από υγρό σε στερεό. Έχουν προταθεί αρκετοί λόγοι για το φαινόμενο, αλλά τώρα οι ερευνητές πιστεύουν ότι έχουν την πραγματική απάντηση.
Μείγματα αμύλου αραβοσίτου, νερού και άλλων εναιωρημάτων είναι γνωστά ως υλικά «διατμητικής πάχυνσης». Η διάτμηση είναι ο τύπος τάσης που υπάρχει όταν τα σωματίδια γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο και οι επιστήμονες πίστευαν ότι εάν η διατμητική τάση σε ένα εναιώρημα αμύλου αραβοσίτου υπερέβαινε ένα ορισμένο όριο, το πάχος ή το ιξώδες θα αυξανόταν μαζικά - αρκετά για να υποστηρίξει το βάρος ενός ατόμου.
Υπάρχουν δύο τρόποι να συμβεί αυτό. Το ένα περιλαμβάνει το νερό μεταξύ των κόκκων αμύλου αραβοσίτου:Σε χαμηλότερες πυκνότητες κόκκων το νερό λειτουργεί ως λιπαντικό, αλλά με αρκετή διάτμηση το νερό ξαφνικά δεν έχει τον χρόνο ή τον χώρο να βγει από τη μέση και η ανάρτηση κλειδώνει. Ο άλλος τρόπος εξετάζει την κίνηση των ίδιων των κόκκων αμύλου καλαμποκιού. Με υπερβολική διάτμηση, οι κόκκοι δεν μπορούν πλέον να ανεβαίνουν και να πέφτουν ο ένας πάνω στον άλλο αρκετά γρήγορα και, πάλι, η ανάρτηση κλειδώνει.
Μόνο που δεν πρόκειται πραγματικά για διάτμηση, σύμφωνα με τους φυσικούς Scott Waitukaitis και Heinrich Jaeger του Πανεπιστημίου του Σικάγο στο Ιλινόις. Σε έναν απλό υπολογισμό, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι το κόλπο της πισίνας θα χρειαζόταν τουλάχιστον 10 φορές περισσότερη διατμητική τάση από ό,τι ρεαλιστικά μπορεί να επιτευχθεί από ένα άτομο που τρέχει. Και αυτό δεν αποτελεί έκπληξη γιατί όταν ξεπερνάτε το άμυλο αραβοσίτου και το νερό, δεν πιέζετε πραγματικά τους κόκκους του αμύλου καλαμποκιού ο ένας πάνω στον άλλο - τους συμπιέζετε.
Χρειαζόταν μια διαφορετική λύση. «Αποφασίσαμε, ποιος καλύτερος τρόπος για να καταλάβουμε πώς αυτές οι αναρτήσεις ανταποκρίνονται στην κρούση από το να ρίχνουμε πράγματα μέσα τους;» λέει ο Waitukaitis.
Έτσι, οι ερευνητές βύθισαν μια ράβδο αλουμινίου 370 γραμμαρίων από μια σφεντόνα με ταχύτητα περίπου 1 μέτρο ανά δευτερόλεπτο σε ένα εναιώρημα αμύλου καλαμποκιού. Στη συνέχεια παρατήρησαν το αποτέλεσμα με διάφορα όργανα, συμπεριλαμβανομένης μιας βιντεοκάμερας υψηλής ταχύτητας για τη μέτρηση της επιτάχυνσης της ράβδου, και ακτίνων Χ και αισθητήρες δύναμης για να παρατηρήσουν την κίνηση της ανάρτησης. Ο Waitukaitis και ο Jaeger ανακάλυψαν ότι, κατά την πρόσκρουση, η ράβδος έσφιξε τους κόκκους αμύλου καλαμποκιού έτσι ώστε να μπλοκάρουν σε έναν άκαμπτο πυρήνα, ο οποίος άσκησε μια ανοδική δύναμη επαρκή για να αποτρέψει τη βύθιση της ράβδου. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature .
Το κλειδί για τον πυρήνα είναι η ικανότητά του να μεγαλώνει πολύ γρήγορα. Εάν η πυκνότητα των κόκκων αμύλου καλαμποκιού είναι μόλις 10% μικρότερη από την πυκνότητα που απαιτείται για την εμπλοκή, τότε το εναιώρημα πρέπει να συμπιεστεί γρήγορα μόνο κατά 10% για να μαρμελάδα. Αλλά αυτό σημαίνει επίσης ότι μια συμπίεση, ας πούμε, 5 εκατοστών θα μπλοκάρει τους κόκκους και θα σχηματίσει έναν άκαμπτο πυρήνα, σε βάθος 50 εκατοστών. Είναι αυτός ο ξαφνικός σχηματισμός ενός χοντρού σκαλοπατιού που σημαίνει ότι μπορείτε να τρέξετε πάνω σε μια ανάρτηση από καλαμποκάλευρο χωρίς φόβο να βυθιστείτε.
Ο φυσικός Itai Cohen στο Πανεπιστήμιο Cornell πιστεύει ότι αυτός ο μηχανισμός που ανακαλύφθηκε πρόσφατα δεν δυσφημεί τους προηγούμενους μηχανισμούς που βασίζονται στην πάχυνση διάτμησης, οι οποίοι έχουν δοκιμαστεί σε άλλες πειραματικές καταστάσεις. «Αυτό που λένε αυτοί οι τύποι είναι ότι για να καταλάβεις κάτι σαν να περπατάς πάνω σε μια λίμνη από καλαμποκάλευρο, πρέπει να λάβεις υπόψη σου ένα διαφορετικό αποτέλεσμα».
Ο Waitukaitis συμφωνεί. «Δεν σημαίνει ότι αυτό που έχουν καταλάβει οι άλλοι είναι λάθος», λέει. «Αυτά τα ευρήματα εξακολουθούν να ισχύουν για καταστάσεις διάτμησης».
Ακόμα κι έτσι, οι φυσικοί έχουν ακόμη πολλές έρευνες να κάνουν, εν μέρει για να εξηγήσουν άλλες πτυχές του φαινομένου, όπως το πόσο γρήγορα πρέπει να πιέσει κανείς για να δημιουργήσει τον άκαμπτο πυρήνα. Αυτό δεν θα είναι για πρόσθετες γελοιότητες δίπλα στην πισίνα - ο στρατός έχει σοβαρό ενδιαφέρον να δημιουργήσει υλικά που βασίζονται σε αναρτήσεις που μοιάζουν με άμυλο καλαμποκιού για να προστατεύουν τους στρατιώτες και το άλλο προσωπικό υψηλού κινδύνου από κρούσεις, ενώ είναι κατά τα άλλα ευέλικτο. Ο μηχανικός Norman Wagner στο Πανεπιστήμιο του Delaware, Newark, έχει εργαστεί σε τέτοια «έξυπνα» υλικά και πιστεύει ότι η τελευταία γνώση θα βοηθήσει στην ανάπτυξή τους.
Αυτό δεν εμποδίζει τους υπόλοιπους να διασκεδάζουμε, φυσικά. Ο Waitukaitis υπολογίζει ότι το ιδανικό εναιώρημα μπορεί να παρασκευαστεί με 1,267 κιλά αμύλου αραβοσίτου για κάθε 1 κιλό νερού, αλλά πρέπει να προσέξετε την ικανότητά του να πήξει ξαφνικά. «Μην αποθαρρύνεστε αν δυσκολεύεστε να ανακατέψετε», λέει.
