Un aereo deve andare abbastanza veloce perché una semplice goccia di pioggia rompa il suo parabrezza, ma può succedere. Ora, nuovi modelli della fisica dietro l'impresa improbabile potrebbero solo aiutare i medici a fare a pezzi i calcoli renali.

Quando i jet supersonici furono sviluppati per la prima volta per uso commerciale negli anni '60, i ricercatori hanno scoperto un curioso fenomeno che a volte si verifica durante i voli di prova attraverso le foreste pluviali. Anche se le gocce di pioggia non pesano quasi nulla, sono in grado di creare crepe a forma di anello nei parabrezza sostanziali dei getti.

Sebbene inizialmente gli scienziati abbiano avuto difficoltà a spiegare questa curiosità, I professori Frank Philip Bowden e John Field dell'Università di Cambridge alla fine hanno riconosciuto le onde di superficie come i colpevoli. Poiché le onde di superficie si diffondono solo in due dimensioni, hanno un pugno molto più potente delle loro controparti tridimensionali. Alcuni dettagli del fenomeno, però, sono rimasti poco compresi a causa della mancanza di matematica per descriverlo e di configurazioni sperimentali per convalidare i modelli proposti.

In un nuovo articolo pubblicato il 1 novembre in Ricerca sulla revisione fisica , Pei Zhong, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke University, e il suo ex studente laureato Ying Zhang, ora ingegnere acustico per Bose, hanno colmato quella lacuna nella conoscenza scientifica.

La coppia ha creato un sistema sperimentale per visualizzare lo stress creato da tali onde superficiali. Hanno messo un dispositivo per litotripsia progettato per frantumare i calcoli renali con onde sonore in una vasca d'acqua coperta da una lastra di vetro, quindi ha innescato un'esplosione puntiforme che si è espansa come un'onda d'urto sferica. A seconda dell'angolo con cui l'onda d'urto colpisce il vetro, può produrre onde superficiali che si diffondono sul confine del bicchiere d'acqua.

Con una telecamera ad alta velocità, il team ha misurato la velocità di vari elementi di un'onda d'urto nei semplici momenti necessari per propagarsi attraverso il vetro. Zhang ha utilizzato queste misurazioni per convalidare un modello a elementi finiti costruito utilizzando un software multifisico chiamato COMSOL. I modelli hanno riprodotto con successo le caratteristiche di una serie di onde bulk e di superficie spesso osservate in tali situazioni, compreso uno che potrebbe salvare le persone dalla necessità di un intervento chirurgico per rimuovere i calcoli renali.

I ricercatori hanno scoperto che il tipo di onda principalmente responsabile della maggior parte dello stress e del danno, chiamato onda di Rayleigh che perde, si propaga molto più velocemente di un secondo tipo di onda chiamato onda evanescente. Mentre sono creati allo stesso tempo sul confine del bicchiere d'acqua, l'onda che perde Rayleigh alla fine si allontana dall'onda evanescente, che è il momento e la posizione della massima sollecitazione di trazione causata dal fenomeno.

Hanno anche scoperto che le crepe circolari originariamente osservate sui parabrezza dei jet supersonici non si formano necessariamente a questo punto:richiedono un'imperfezione esistente nel vetro per iniziare. Ma una volta avviato, la cricca si propaga lungo una traiettoria circolare, in seguito alla prima sollecitazione principale nel solido innescata dall'avanzare dell'onda di Rayleigh che perde.

"La sfida per il trattamento dei calcoli renali è ridurre i calcoli a frammenti molto fini in modo che i medici non debbano seguire alcuna procedura ausiliaria, " ha detto Zhong. "Sulla base dell'intuizione acquisita attraverso questo modello, potremmo essere in grado di ottimizzare la forma delle onde d'urto e il design del litotritore per creare più tensione sulla superficie dei calcoli renali per aprire i difetti in modo più efficiente".