北卡羅來納州達勒姆——壹架飛機必須飛得非常快才能打破雨滴，從而打破擋風玻璃，但這是可能發生的。現在，這項不可能的壯舉背後的新物理模型可能只是幫助醫生打破腎結石。
在1960年代，當超音速噴氣式飛機首次投入商業開發時，研究人員發現了壹種奇怪的現象，這種現象有時會發生在穿越雨林的試飛中。即使雨滴幾乎不重，它們仍然可以在噴氣式飛機的擋風玻璃上形成環形裂縫。
雖然科學家們壹開始很難解釋這種好奇心，但劍橋大學的弗蘭克·菲利普·鮑登教授和約翰·菲爾德教授最終認為表面波是罪魁禍首。因為表面波只在二維空間傳播，所以比三維波具有更強大的沖擊力。然而，由於缺乏描述這壹現象的數學方法和實驗裝置來驗證所提出的模型，這壹現象的壹些細節仍然知之甚少。
杜克大學機械工程和材料科學教授裴忠和前研究生、現受聘為玻色聲學工程師的張穎在《物理評論研究》6月5438+065438+10月1日發表了壹篇新論文，填補了科學知識的空白。
他們創建了壹個實驗系統來可視化這種表面波引起的應力。他們放置了壹個碎石裝置，該裝置被設計成在壹桶蓋著玻璃的水中用壹波聲波粉碎腎結石，然後以球形沖擊波的形式引發點源爆炸。根據沖擊波撞擊玻璃的角度，可以產生在水玻璃邊界傳播的表面波。
利用高速攝像機，研究小組只在沖擊波穿過玻璃的瞬間測量了每個元素的速度。張用這些測量數據驗證了用多物理場軟件COMSOL建立的有限元模型。這些模型成功地再現了在這種情況下經常觀察到的體波和表面波的壹系列特征，包括可以使人避免手術切除腎結石的特征。
研究人員發現，導致大多數應力和故障的波主要是泄漏瑞利波，它比第二種波，即van倏逝波傳播得更快。雖然它們是同時在矽酸鈉的邊界上產生的，但是泄漏的瑞利波最終被拉離了倏逝波，而e倏逝波就是這種現象引起的最大拉應力的時刻和位置。
他們還發現，最初在超音速噴氣式飛機擋風玻璃上觀察到的圓形裂紋不壹定在此時形成——他們需要玻璃中的缺陷才能開始使用。但壹旦開始，裂紋將沿著圓形軌跡傳播，隨後是由前進的泄漏瑞利波引起的固體中的第壹主應力。
鐘說:治療腎結石的挑戰是將結石切成非常細小的碎片，這樣醫生就不必進行任何輔助手術。基於從該模型獲得的認識，我們可以優化沖擊波的形狀和碎石機的設計，以在腎結石表面產生更大的張力，從而更有效地打開缺損。
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