[论文解读] 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 4

一句话总结

本文揭示了在撞击作用下，不连续剪切增稠（DST）流体中此前未被报道的剪切增稠转变，当撞击速度超过临界值时，流体中会形成类固态前驱波，产生足以支撑人体重量的巨大应力。该机制解释了人类为何能跑动于DST流体表面，解决了以往流体动力学、稀释性或惯性模型的局限性。

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.

研究动机与目标

• 理解人类能够在DST流体表面奔跑的物理机制。
• 识别现有剪切增稠模型为何无法解释高浓度悬浮液中的撞击阻力。
• 研究撞击速度在触发新型剪切增稠转变中的作用。
• 探索该现象在防护材料设计中的潜在应用价值。

提出的方法

• 在受控撞击条件下，对高浓度硬质非聚集颗粒悬浮液进行了实验。
• 利用高速成像技术，可视化了撞击过程中类固态前驱波的形成与传播。
• 通过改变撞击速度并观察应力放大的起始点，确定了临界撞击速度。
• 测量了应力响应，以量化流体从类液态行为向类固态行为的转变。
• 分析了前驱波与固体边界碰撞的动力学，以理解应力集中现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么物理机制使得人类能够在类似玉米淀粉与水的DST流体表面奔跑？
• RQ2 在DST流体中，撞击速度达到多高时会触发新型剪切增稠转变？
• RQ3 在撞击过程中，类固态区域的前驱波如何形成与传播，其在应力生成中扮演何种角色？
• RQ4 为何传统剪切增稠模型无法解释所观测到的撞击阻力？
• RQ5 该撞击诱发的转变能否被用于防护材料的应用？

主要发现

• 确定了临界撞击速度，超过该速度时，DST流体中会形成类固态前驱波，触发此前未报道的不连续剪切增稠转变。
• 该转变产生的应力足以支撑人体重量，从而解释了在流体表面奔跑的现象。
• 类固态区域的前驱波在流体中传播，并与边界碰撞，导致局部应力显著放大。
• 该转变与传统剪切增稠不同，其驱动力是撞击引起的结构重排，而非稳定剪切作用。
• 该现象无法用润滑、稀释性或惯性位移模型解释，表明存在一种新的物理机制。