Prepogibanje slamic

Ameriška raziskovalna skupina je v reviji Physical Review Letters objavila študijo upogiba cevkastih struktur, ki se pri določeni ukrivljenosti nenadno prelomijo.

Pri upogibanju slamice ob pitju cedevite opazimo, da pri povečevanju navora dosežemo kritično ukrivljenost, ki lokalizira spremembe ukrivljenosti v ozko območje, ali enostavneje: slamica se prelomi. Ta pojav imenujemo brazierjeva nestabilnost. Dosedanje študije so že raziskale, koliko zunanjega navora je potrebnega, da se cev s tankimi stenami upogne. Opazili so nemonotono obnašanje z neko maksimalno vrednostjo. Brazierjeva nestabilnost torej ni odvisna od lastnosti materiala, temveč od geometrijskih lastnosti upognjene strukture.

Poleg nestabilnosti zaradi samega upogiba so raziskave opazile nestabilnosti zaradi gubanja, ki pri tem nastaja. Stisljivostna napetost vzdolž slamice doseže kritično vrednost in na površini sistema se pojavijo periodične strukture, ki minimizirajo elastično energijo. Gube rastejo in sprožijo lokalizacijo celotne ukrivljenosti – oziroma: slamica se spet prelomi. V novi študiji so raziskovali, v katerih primerih prevladuje katera nestabilnost.

Znanstvena skupina je opravila teoretično in numerično raziskavo različnih zaprtih cevk pod visokim pritiskom. Za primerjavo so modelirali slamico, podolgovat balon in paličasto bakterijo E. coli. Uporabili so elastični model, ki lahko določi analitične formule obeh možnih nestabilnosti, ki se zgodijo pri upogibu cevi pod tako visokim pritiskom. Prva je povezana z maksimumom zveze med navorom in ukrivljenostjo, druga pa z gubanjem pri kritični stisljivosti. Rezultati so pokazali, da se nestabilnost zaradi gubanja vselej pojavi pred brazierjevo nestabilnostjo oziroma najprej se struktura naguba in potem se v točki preloma njen presek splošči.

V sklopu študije so znanstvenice in znanstveniki raziskovali tudi hidrostatski tlak znotraj E. coli. Ugotovili so, da hidrostatski tlak stabilizira ogrodje strukture in bi se ob njegovi odsotnosti struktura celic porušila že pri zelo majhni ukrivljenosti. Parámetri kritične ukrivljenosti za nestabilnost gubanja za model bakterije E. coli so obratno sorazmerni od polmera celice, kar ji omogoča, da zaradi majhnosti preživi ogromne mehanske deformacije. To razloži presenetljivo elastičnost rastoče celice, ki se lahko prilagodi ozkim mikrofluidičnim ogrodjem. Avtorice in avtorji opozarjajo, da bi izsledke študije lahko uporabili pri direktni meritvi tlaka znotraj celice tako, da bi manipulirali njeno okolico, dokler ne bi dosegli nestabilnosti in strukturo nenadno deformirali.

Slamice je prepogibala Tina.

Povezava do študije: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.058101