محاولة لفهم طبيعة الشقوق في المواد الهشة

يستغرق 5 دقيقة

اكتشف البروفيسور ألين كارما Alain Karma وزملاؤه من جامعة نورث إيسترن Northeastern University الآلية التي تُسبب انتشار الشقوق بشكل سريع جدًا في المواد الهشة Brittle materials، وذلك في بحث نشر في دورية نيتشر للفيزياء Nature Physics. (تجد الورقة البحثية أسفل هذا المقال.)

تُساعد نتائج هذه الدراسة الباحثين على فهم طبيعة المواد الهشة بشكل أفضل، مثل: الزجاج والسيراميك والبوليمرات والعظام، التي عادة ما تنهار انهيارًا كارثيًا (أي بدون حدوث تشكل ينبه باقتراب حدوث الكسر)، بالإضافة إلى فهم كيفية تصميمها بالشكل الذي يجعلها أكثر مقاومة للكسر.

يحدث الكسر بسبب انتشار الشقوق في المادة، والتي يمكن أن توجد بشكل طبيعي أو تنشأ بعد تطبيق حمل، كما ينتشر الشق عبر المادة عند تحرك الطرف crack tip، وذلك عندما يبلغ الحمل الواقع عليه قيمة حرجة معينة، وتعد دراسة تشكل الشقوق وتحركها في المواد المختلفة مجالًا مهمًا في علم المواد، وهو ما يعرف بميكانيكا التصدع fracture mechanics.

شكل 1: آلية انتشار الشقوق في المواد. يتسع الشق (ينتشر) عندما يصل الحمل الواقع على طرفه إلى قيمة حرجة معينة.   حقوق الصورة: (H. Föll (Iron, Steel and Swords script

يهدف فريق كارما لفهم الطريقة التي تنكسر بها المواد، ذلك لأنه كثيرا ما كان انكسار المواد من خلال آلية انتشار الشروخ مُعضلة في علم المواد وفي مجال البناء وتحسين المنتجات وتطويرها. بشكل خاص، أراد الفريق دراسة الخواص الميكانيكية للمنطقة المحيطة بتركيز الإجهادات stress concentration حول طرف الشرخ، وتأثير تلك الخواص على ديناميكية انتشار الشروخ.

يقول كارما: “نظريًا، تساوي سرعة انتشار الشرخ المستقيم في المادة سرعة الصوت، ولكن على الرغم من ذلك فإنها لا تصل أبدًا لهذه السرعة، والسبب لحدوث ذلك كان مجهولًا. ولكننا فسرنا ذلك بأن الشقوق تُصبح غير مستقرة عندما تنتشر بهذه السرعة العالية، ويؤدي عدم الاستقرار هذا إلى تمايل مقدمة الشرخ، لتتخذ مسارًا موجيًا أثناء انتشارها في المادة. كانت النظريات القديمة التي وُضعت لتفسير حدوث الكسر في المواد تغفل تمامًا عن عدم الاستقرار الذي يحدث للشرخ، حيث افترضت أن العلاقة بين القوة والتمدد في المادة هي علاقة خطية؛ بمعني أنه إذا ضاعفت القوة التي تؤثر بها فسوف يتضاعف التمدد. ولكن الدراسات التي قمنا بها أثبتت أن هذه الافتراضات لا تنطبق على مقدمة الشرخ، كما أنها فسرت أن العلاقة غير الخطية بين القوة والتمدد تنتج موجة أو اهتزازات لها زمن دوري معين، يرتبط بدوره بالخواص الميكانيكية للمادة”.

 

طور كارما وزملاؤه في هذا البحث نظرية تساعد الباحثين على التنبؤ بديناميكية الشرخ تحت ظروف متغيرة من خلال برامج محاكاة كبيرة، والتي سوف تساعد في فهم الطريقة التي تنكسر بها مواد معينة.

يقول كارما: “هذه الدراسة تمت على رقائق رفيعة جدًا من مواد ثنائية الأبعاد، ونُخطط لتوسيع الدراسة لتشمل المواد ثلاثية الأبعاد. في المواد ثلاثية الأبعاد، يحدث عدم الاستقرار الذي يُسبب انخفاض سرعة انتشار الشرخ عند سرعات أقل من المواد ثنائية الأبعاد، وهو أمر غير مفهوم حتى الآن”.

شكل 2: ظاهرة التفرع

ولتفسير ذلك وفهم طبيعة الشقوق في المواد ثلاثية الأبعاد يُخطط الفريق للبحث فيما يحدث في المواد ثلاثية الأبعاد عند حدوث ظاهرة التفرع micro-branching؛ أي عندما ينقسم الشق إلى العديد من الشقوق الفرعية الصغيرة. يقول كارما:” نعتقد أن العلاقة غير الخطية بين القوة والاستطالة هي السبب في عدم الاستقرار الذي يحدث أثناء انتشار الشق، وأعتقد أننا قادرون على حل هذه المشكلة”.

 


الورقة البحثية.

تعليقات الفيسبوك

تعليقات

المساهمون في المقال

كتابة: أمجد فودة

مراجعة: متطوعة

تدقيق: أحمد حبيب

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *