[論文レビュー] A Shear Thickening transition in concentrated suspensions under Impact

Shomeek Mukhopadhyay, Benjamin Allen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2014

Sports Dynamics and Biomechanics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、衝撃によって引き起こされる、これまで報告されていなかった不連続せん断強化（DST）流体におけるせん断強化転移を特定した。衝撃速度が臨界値を超えると、固体的性質を示すフロントが形成され、人の体重を支えるのに十分な大きな応力が発生する。このメカニズムにより、DST流体の表面を走れる現象が説明され、従来の流体力学的・拡張的・慣性的モデルの限界が解消される。

ABSTRACT

Discontinous Shear Thickening (DST) fluids show a remarkable effect where the suspension behaves like a liquid at low shear rates, but when sheared very hard, resistance to flow increases discontinously with shear rate. This effect has been observed in a large variety of concentrated suspensions of hard, frictional and non attractive particles. DST fluids also show strong impact response such as the ability of a person to run on the surface of a pool filled with a suspension of cornstarch and water. Current models of shear thickening based on lubrication hydrodynamics, dilatancy, and inertial displacement fail to explain the ability of a person to run on the surface and impact response in general. In our experiments we discover a transition at a critical impact velocity in DST fluids above which fronts of solid like regions are generated in the fluid and the collision of these fronts with a solid boundary leads to a shear thickening transition which has not been previously predicted or reported. The large stresses generated above the shear thickening transition are enough to hold up the weight of a person and have potential applications for protective materials.

研究の動機と目的

• 人間がDST流体の表面を走れる背後にある物理的メカニズムを理解すること。
• 従来のせん断強化モデルが濃縮した懸濁液における衝撃抵抗を説明できない理由を特定すること。
• 衝撃速度が新しい種類のせん断強化転移を誘発する役割を調査すること。
• この現象が防護材の設計に応用可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 硬い、相互作用のない粒子からなる濃縮懸濁液を、制御された衝撃条件下で実験した。
• 高速撮影を用いて、衝撃時の流体内での固体的性質を示すフロントの形成と伝播を可視化した。
• 衝撃速度を変化させ、応力増幅の発生を観察することで、臨界衝撃速度を特定した。
• 応力応答を測定し、液体的性質から固体的性質への遷移を定量した。
• 固体境界とのフロント衝突のダイナミクスを分析し、応力局在の理解を深めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ人間はトウモロコシスターチと水のようなDST流体の表面を走れるのか？
• RQ2 DST流体において、新しいせん断強化転移が発現する臨界衝撃速度はどの程度か？
• RQ3 衝撃時に固体的性質の領域フロントはどのように形成・伝播し、応力生成にどのような役割を果たすのか？
• RQ4 なぜ従来のせん断強化モデルでは、観察された衝撃抵抗を説明できないのか？
• RQ5 この衝撃誘発転移を防護材の応用に活用できるか？

主な発見

• 臨界衝撃速度を超えると、DST流体に固体的性質を示すフロントが形成され、これまで報告されていなかった不連続せん断強化転移が発生することが特定された。
• この転移によって発生する応力は、人の体重を支えるのに十分であり、流体表面を走れる現象の説明がなされた。
• 固体的性質の領域フロントが流体中を伝播し、境界に衝突することで、局所的応力が顕著に増幅される。
• この転移は従来のせん断強化とは異なり、定常せん断ではなく、衝撃によって誘発される構造的再配置によって駆動される。
• この現象は潤滑、拡張、慣性的移動モデルでは説明できず、新たな物理的メカニズムであることが示された。