Столкновение с грунтом оказалось способно порождать «ударные молнии»

Группа ученых из США при помощи физического моделирования выяснила, как изменяется структура грунта при падении на него твердого тела, например, метеорита. Оказалось, что при маленьких скоростях «снаряда» дефекты в грунте имеют вид отдельных трещин, тогда как при больших скоростях образуется единый фронт возмущения, в котором грунт приобретает повышенную плотность. Работа опубликована в Physical Review Letters.

Экспериментальная система представляла собой плоский прозрачный контейнер, заполненный полимерными дисками. Вещество, из которого они были сделаны, изменяло оптические свойства в зависимость от приложенной к диску силы. За счет этого ученым удавалось отслеживать распространение усилия в среде. На двухмерный «грунт» роняли бронзовый диск — «снаряд». Для измерения скорости фронта напряжения использовали высокоскоростную камеру с частотой съемки до 40 тысяч кадров в секунду.

Оказалось, что в грунте существует как минимум два характерных режима распостранения усилия. При небольших скоростях снаряда частицы грунта передавали импульс, не изменяя его направления (то есть «вперед», по цепочке). Итоговая картина в этом случае выглядела не как фронт, а как множество «молний», уходящих вглубь материала. Если же скорость снаряда превышала некоторое критическое значение, частицы не успевали передать напряжение вперед, а вместо этого «расталкивали» своих соседей. В этом случае импульс распространялся не только вглубь, но и в стороны, поэтому образовывался единый фронт.

Для описания экспериментальной системы интересна не сама скорость фронта, а ее отношение к скорости звука в материале. Ученые не могли изменять в широких пределах скорость снаряда (так как есть очевидное ограничение по высоте, с которой его можно ронять), поэтому они воспользовались интересным «трюком»: вместо того, чтобы менять скорость снаряда, они меняли материал, из которого сделан грунт. Вместе с этим изменялась и скорость звука в материале, а значит, и искомое отношение скоростей.

Новая работа имеет ряд важных применений, в особенности, при разработке снарядов для поражения подземных целей. Ученые показывают, что простой подход «быстрее, выше, сильнее» здесь не подходит, так как большие скорости столкновения приводят к большему уплотнению грунта. В итоге увеличение мощности снаряда практически не дает выигрыша по глубине проникновения.