挡风玻璃破裂的物理原理可能损伤肾结石。
北卡罗来纳州达勒姆——一架飞机必须飞得非常快才能打破雨滴，从而打破挡风玻璃，但这是可能发生的。现在，这项不可能的壮举背后的新物理模型可能只是帮助医生打破肾结石。
在1960年代，当超音速喷气式飞机首次投入商业开发时，研究人员发现了一种奇怪的现象，这种现象有时会发生在穿越雨林的试飞中。即使雨滴几乎不重，它们仍然可以在喷气式飞机的挡风玻璃上形成环形裂缝。
虽然科学家们一开始很难解释这种好奇心，但剑桥大学的弗兰克·菲利普·鲍登教授和约翰·菲尔德教授最终认为表面波是罪魁祸首。因为表面波只在二维空间传播，所以比三维波具有更强大的冲击力。然而，由于缺乏描述这一现象的数学方法和实验装置来验证所提出的模型，这一现象的一些细节仍然知之甚少。
杜克大学机械工程和材料科学教授裴忠和前研究生、现受聘为玻色声学工程师的张颖在《物理评论研究》6月5438+065438+10月1日发表了一篇新论文，填补了科学知识的空白。
他们创建了一个实验系统来可视化这种表面波引起的应力。他们放置了一个碎石装置，该装置被设计成在一桶盖着玻璃的水中用一波声波粉碎肾结石，然后以球形冲击波的形式引发点源爆炸。根据冲击波撞击玻璃的角度，可以产生在水玻璃边界传播的表面波。
利用高速摄像机，研究小组只在冲击波穿过玻璃的瞬间测量了每个元素的速度。张用这些测量数据验证了用多物理场软件COMSOL建立的有限元模型。这些模型成功地再现了在这种情况下经常观察到的体波和表面波的一系列特征，包括可以使人避免手术切除肾结石的特征。
研究人员发现，导致大多数应力和故障的波主要是泄漏瑞利波，它比第二种波，即van倏逝波传播得更快。虽然它们是同时在硅酸钠的边界上产生的，但是泄漏的瑞利波最终被拉离了倏逝波，而e倏逝波就是这种现象引起的最大拉应力的时刻和位置。
他们还发现，最初在超音速喷气式飞机挡风玻璃上观察到的圆形裂纹不一定在此时形成——他们需要玻璃中的缺陷才能开始使用。但一旦开始，裂纹将沿着圆形轨迹传播，随后是由前进的泄漏瑞利波引起的固体中的第一主应力。
钟说:治疗肾结石的挑战是将结石切成非常细小的碎片，这样医生就不必进行任何辅助手术。基于从该模型获得的认识，我们可以优化冲击波的形状和碎石机的设计，以在肾结石表面产生更大的张力，从而更有效地打开缺损。
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