小さなプールをコーンスターチと水で満たすことは、長い間、物理学者のパーティー トリックでした。ゆっくりと足を踏み入れると沈みますが、すぐに横切ると、液体から固体に変わったかのように、にじみ出る混合物が体重を支えます。この現象にはいくつかの理由が提示されていますが、現在、研究者は本当の答えがあると信じています。
コーンスターチ、水、およびその他の懸濁液の混合物は、「ずり増粘」材料として知られています。せん断は、粒子が互いに滑るときに存在する一種の応力であり、科学者は、コーンスターチ懸濁液のせん断応力が特定のしきい値を超えると、厚さまたは粘度が大幅に増加し、人の体重を支えるのに十分になると考えていました.
これには 2 つの方法があります。 1 つは、コーンスターチ粒の間の水です。粒密度が低いと、水は潤滑剤として機能しますが、せん断が十分に大きくなると、水が邪魔にならないようにする時間やスペースが突然なくなり、懸濁液がロックします。もう 1 つの方法は、コーンスターチ粒自体の動きを考慮します。せん断が大きすぎると、粒子が十分な速さで上下することができなくなり、再びサスペンションがロックします。
イリノイ州にあるシカゴ大学の物理学者 Scott Waitukaitis と Heinrich Jaeger によると、それはせん断に関するものではないということを除けば.単純な計算で、研究者は、水泳プールのトリックには、走っている人から現実的に達成可能なせん断応力の少なくとも 10 倍のせん断応力が必要であると考えました。コーンスターチと水にかかったとき、実際にはコーンスターチの粒を互いに押し付けているのではなく、それらを圧縮しているので、これは驚くべきことではありません.
別の解決策が必要でした。 「これらのサスペンションが衝撃にどのように反応するかを理解するには、何かを撃つよりも良い方法があると判断しました。」ワイツカイティスは言います。
そこで研究者たちは、370 グラムのアルミニウム棒をパチンコから毎秒約 1 メートルの速さでコーンスターチ懸濁液に突き刺しました。次に、ロッドの加速度を測定するための高速度ビデオ カメラ、サスペンションの動きを観察するための X 線イメージャーと力センサーなど、さまざまな機器で結果を観察しました。 Waitukaitis と Jaeger は、衝突の際にロッドがコーンスターチの粒を絞って固いコアに押し込み、ロッドが沈むのを防ぐのに十分な上向きの力を加えることを発見しました。結果は本日 Nature でオンラインで公開されます .
コアの鍵は、非常に急速に非常に大きくなる能力です。コーンスターチ粒の密度がジャムに必要な密度よりわずか 10% 小さい場合、懸濁液をジャムするには 10% だけ急速に圧縮する必要があります。しかし、それはまた、たとえば 5 cm の圧縮が穀物を詰まらせ、50 cm の深さまで硬いコアを形成することを意味します。この厚い飛び石の突然の形成により、沈むことを恐れずにコーンスターチの懸濁液を走ることができます.
コーネル大学の物理学者 Itai Cohen は、この新たに発見されたメカニズムは、他の実験状況でテストされたずり増粘に基づく以前のメカニズムの信用を損なうものではないと考えています。 「彼らが言っているのは、コーンスターチのプールの上を歩くようなことを理解するには、考慮しなければならない別の効果があるということです。」
Waitukaitisは同意します。 「他の人々が考え出したことが間違っていると言っているわけではありません」と彼は言います。 「これらの発見は、せん断の状況にも当てはまります。」
それでも、物理学者はまだ多くの調査を行う必要があり、その一部は、剛性コアを作成するためにどれだけ速く押す必要があるかなど、現象の他の側面を説明することです.軍は、コーンスターチのようなサスペンションに基づいて、兵士やその他のリスクの高い人員を衝撃から保護し、それ以外の場合は柔軟な素材を作成することに深刻な関心を持っています.デラウェア大学ニューアーク校のエンジニア Norman Wagner は、このような「スマート」な材料に取り組んでおり、最新の知識がその開発に役立つと考えています。
もちろん、それは私たちの楽しみを止めるものではありません。 Waitukaitis は、理想的な懸濁液は、水 1 キログラムごとに 1.267 キログラムのコーンスターチで作ることができると考えていますが、突然とろみがつくことに注意する必要があります。 「混ぜるのが難しいと思っても落胆しないでください」と彼は言います。
