Дилема кавитације ријешена у моделу пуцања у зглобовима

Замислите ово: тамна уличица у којој је усрдни зли тип стиснуо ћошак беспомоћне парцеле. Позирући се иза злог типа је нетко тако широк као што је висок. Генерички мишић има обријану главу, недостајуће зубе и одраслу мајицу. Парцела указује на то да се мишићи крећу. Али, пре него што почну да бацају ускоро мртву тачку, мишићи се померају и звук ломљења зглобова одзвања од зидова.

Филмски клишеи који нису издржали, зглобови су још увек мистериозни. Након неких експеримената и много размишљања (и аргумената, који су вероватно укључивали пуцање зглобова), научници су закључили да је бука због искакања услед колапса кавитационих мехурића у флуиду који подмазује зглобове. То објашњење је остало непромењено неких 40 година, док софистициранији експерименти нису показали да су, након буке, још увек постојали мехурићи у зглобној течности. Како би колапс мехурића могао бити извор звука ако су мехурићи још били тамо? Сада, пар научника је развио математички модел пуцања зглобова који показује како оба могу бити истинита.

Пушке

Обично се појављује када се кости зглоба изненада раздвоје необичном количином течности. Како се две површине кости раздвајају, течност између зглобова пати од изненадног губитка притиска. Када притисак падне довољно ниско, течност се претвара у гас, стварајући мехур. Ово је кавитација.

Течност високог притиска која окружује мехур брзо улази и брзо уништава живот из мехура. Брзи колапс генерише таласе притиска који напуштају флуид као звучне таласе. Веома оштар колапс мехурића је оно што генерише карактеристични шум буке. Али кључна ствар је да мехурићи заврше мртви. Ипак, експериментални докази говоре да још увек постоје мехурићи у зглобној течности чак и након што су одјекли.

Велики изазов за разумевање овог детаља је то што он у много различитих физика привлачи много различитих физика. Моделирање читавог нереда од краја до краја је заправо веома тешко.

Пиецевисе солутионс

Да би разумели кавитацију у зглобовима зглобова, пар физичара је анализирао своје процесе одвојено: стварање мехура, колапс мехурића и стварање звучних таласа. Једначине за сваки процес су развијене и решене коришћењем резултата из претходног корака. Тако, на пример, једначине које моделирају колапс мехура узимају особине мехурића из излаза једначина које моделују процес формирања мехурића. Затим се колапс балона користи за генерисање звучних таласа у трећем, одвојеном моделу.

Истраживачи су открили да се формирање мехурића вероватно дешава тачно онако како се и очекивало: под условом да је простор између костију у зглобу релативно мали, тежак тегљач ће смањити притисак довољно брзо да би се осигурало да се неке од течности испаравају и да се формирају мехурићи. Али ове једначине само моделирају пад притиска, а не процес формирања мехурића. Дакле, у ствари, улаз у сљедећу фазу модела није математички мјехур с израчунатим унутрашњим и вањским притисцима. Уместо тога, процењује се величина мехурића и израчунава се само притисак.

У следећем кораку, истраживачи су се изненадили. Моделски мехур брзо пропада, као што се и очекивало. Али он се не распада у потпуности - мехур стабилизује се на отприлике половини своје оригиналне величине. То нам, кажу истраживачи, значи да постоји сагласност између модела кавитације за заједничко искакање и експерименталних доказа. Али, опет, прича је више нијансирана. У истраживачком моделу, мехур не може да нестане и не може да се колабира до бесконачно малог радијуса, јер гас унутар њега треба да достигне бесконачни притисак. Уместо тога, мехурић ће осциловати мало и сместити се у радијусу тако да су унутрашњи притисак и спољашњи притисак једнаки. То је управо оно што истраживачи посматрају у свом математичком моделу. Дакле, преживљавање балона је уграђено у њихов модел.

Последњи корак је да се предвиди звук који ствара балон док се он сруши. Резултати јасно показују да модел предвиђа поп-уп звук прилично добро. Треба напоменути да постоји доста варијација у експерименталним мерењима овде, тако да модел предвиђа опште карактеристике које су заједничке за сва мерења, али не и детаље појединачних мерења.

Поп је поп

Споразум између експеримента и модела је заиста прилично добар, посебно с обзиром на једноставност модела. Моја велика забринутост је да су, одабиром пречника мехура и геометрије зглоба, они у суштини фино подесили свој модел да стане. На неки начин то је тачно: резултати модела се мењају са геометријом зглоба. И мислим да бих то очекивао. Једноставно не могу да замислим да би зглоб кука правио исти звук као зглоб прстију када би се појавио.

С друге стране, очекивао сам да ће промјер мјехурића бити важан: већи мјехур би направио другачији шум у успоредби с малим мјехурићем. Али, истраживачи су то тестирали, а звук је остао исти. Иако нису истражили разлог, претпостављам да је то због тога што, без обзира на то колико је балон био, може се само срушити на 50 посто своје величине, а стопа колапса изгледа да је иста у оба случаја, што може произвести исти акустични спектар.

Истраживање се не бави коначном смрћу ових мехурића. Постоје, претпостављам, бројни могући путеви које балон може узети. Може се фрагментирати до мањих и мањих мјехурића. То би захтијевало неку врсту нестабилности на површини мјехурића, што мислим да није укључено у модел. Алтернативно, мехурићи нестају зато што је површина мехурића пропустљива, а пара зглобне течности кондензира у околни флуид, дозвољавајући да се мехурић стално скупља.

Оба ова процеса вероватно ће бити спора у поређењу са процесом стварања и колабирања мехура. Тако можемо добити упорност мјехурића након попа без претварања у сталне становнике наших зглобова.

Још један занимљив закључак из модела је да не постоје стабилна решења за силе поппинг снаге изнад око 15 Невтона. Ово је у супротности са експериментима, где су истраживачи открили да људи често примењују око 100 Невтона силе. Истраживачи сугеришу да већи део те силе преузима околно ткиво тако да се само мали део притиска врши на зглоб.

Модел је такође прилично идеализован. Претпоставља се да таласи притиска из једног балона не утичу на стварање или колапс сусједних мјехурића. Истраживачи признају да то вјероватно није случај, јер ће се први мјехурићи формирати дуж средишње линије зглоба. Како се ти мехурићи колабирају, више мехурића се формира ближе ивици зглоба. Валови притиска из колабирајућих мехурића ће проћи кроз њих и утицати на формирање и колапс мјехурића изван центра. Ове компликоване интеракције чине окружење богато метом што се тиче експерименталне и теоријске физике.

На крају, истраживачи су овде урадили нешто сасвим цоол. Они су показали како два експериментална резултата која изгледају контрадикторна можда неће бити. У исто време, отворили су и гомилу нових питања: колико сила завршава у заједничком? Зашто величина мехурића није битна? Како мехурићи утичу једни на друге? Куда иду?

Истраживачи такође наглашавају да су експериментални докази прилично ретки. Проблем је у томе што се кавитација дешава веома брзо. Типично, научници користе камере велике брзине да посматрају динамику. Нажалост, унутрашњост спојева није погодна за фотографисање велике брзине.

Сциентифиц Репортс, 2018, ДОИ: 10.1038 / с41598-018-22664-4 (О ДОИ).