Impact-induced viscoelastic bungee-jumper jets with uniform extension and stress

这项研究表明,尽管具有极高的德博拉数和雷诺数,冲击诱导的粘弹性“蹦极式”射流仍表现出均匀的拉伸速率和应力分布,这表明其复杂的动力学过程可以有效地使用空间均匀的本构方程进行建模,其中 Voigt 模型表现出最佳的一致性。

原作者: Kyota Kamamoto, Asuka Hosokawa, Yoshiyuki Tagawa

发布于 2026-01-29
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原作者: Kyota Kamamoto, Asuka Hosokawa, Yoshiyuki Tagawa

原始论文采用 CC BY 4.0 许可(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性,请参阅原始论文。 阅读完整免责声明

想象一下,你手里拿着一个装满了粘稠、胶状液体(类似于非常稀薄的蜂蜜混合了塑料)的玻璃注射器。如果你突然猛击注射器的底部,一股细流会从顶部喷射而出。

在像水这样的普通液体中,这股细流会喷射出来,变细,破碎成液滴,然后飞散开去。但在这次实验中,这种液体表现得像是一个蹦极跳伞员。它向上喷射,拉伸到极限,然后并没有飞走,而是像被拉开又释放的橡皮筋一样,猛地缩回向注射器。

科学家们想要了解为什么会发生这种情况,以及在液体拉伸和缩回的过程中,其内部究竟发生了什么。他们使用了高速摄像机和特殊的照明技术来“看清”移动中的流体内部。

以下是他们的发现,用简单的语言解释如下:

1. “均匀性”带来的惊喜

通常,当你快速拉伸某种复杂的物体(比如以惊人的速度拉伸橡皮筋)时,你会预期这种拉伸是混乱的。你可能会认为顶部拉伸的方向与底部不同,或者某些地方的张力高,某些地方的张力低。

然而,研究人员发现了一个令人惊讶的现象:整个流体表现得像一个单一且完美的整体。

  • 均匀拉伸: 每一部分流体都在以完全相同的速度进行拉伸。就好像整个流体是由一根单一的、具有完美弹性的绳索组成的。
  • 均匀张力: 液体内部的“拉力”(应力)从底部到顶部都是一致的。这里没有薄弱点,也没有过紧的点;张力分布得非常均匀。

尽管这种液体运动速度极快且处于混沌状态,但它却表现出一种简单且有序的节奏。

2. “蹦极”模型

为了解释这种行为,科学家们尝试将数据代入不同的数学“玩具模型”中(就像尝试用不同的物理方程来描述汽车的运动)。

  • “单弹簧”模型: 想象这个喷流仅仅是一个完美的、有弹性的弹簧,没有任何摩擦。这个模型对于那些最粘稠、弹性最强的液体(即缩回力最强的液体)效果很好。然而,它在处理粘度较低的液体时失败了,因为它忽略了流体内部的“阻力”或摩擦。
  • “Voigt”模型(获胜者): 这个模型就像是一个连接着减震器(阻尼器)的弹簧。它同时考虑了液体的弹性(弹跳性)和粘性(阻力)。
    • 科学家发现,这个“弹簧加减震器”模型完美地描述了他们测试过的所有液体,无论是粘度较低的还是超级粘稠的。
    • 由于拉伸和张力是均匀的,他们可以将整个混乱的高速喷流视为一个具有均匀属性的单一、简单的物体。

3. 这为什么重要(根据论文)

论文解释说,这种“蹦极跳伞员”行为是一种研究厚粘弹性液体在受到极速拉伸时如何反应的罕见方式。通常,我们的标准工具无法测量这些极端条件。

通过证明这些复杂的、高速运动的喷流实际上遵循简单的规则(均匀拉伸和均匀张力),研究人员表明,我们不需要极其复杂的数学公式来预测它们的运动。一个具有均匀系数的简单模型(如 Voigt 模型)就足以捕捉其运动的本质。

简而言之: 尽管这些液体喷流在高速喷射并表现出混沌的非平衡态,但它们出人意料地组织成了一种简单的、均匀的模式,可以用一个基础的“弹簧加减震器”方程来描述。

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