صور هذا: زقاق مظلم حيث المتأنق الشرير لديه يحشر نقطة مؤامرة عاجز. تلوح في الأفق وراء المتأنق الشرير هو شخص واسع كما هو طويل القامة. العضلات العامة لها حليق رأس ، أسنان مفقودة ، وقميص داخلي. كروت نقطة المؤامرة بينما تتحرك العضلات. لكن ، قبل أن يجلد الميت قريباً مؤامرة نقطة ، يرس العضلات وصوت المفاصل تكسير أصداء خارج الجدران.
كليشيهات الفيلم لا تصمد أمامه ، لا تزال المفاصل ظهرت شيء من الغموض. بعد بعض التجارب والكثير من الفكر (والحجة ، وربما تنطوي على تكسير المفصل) ، وخلص العلماء إلى أن ضوضاء ظهرت بسبب الانهيار فقاعات التجويف في السائل الذي يشحم المفاصل. أن ذهب التفسير دون منازع لمدة 40 سنة ، حتى أكثر من ذلك وأظهرت التجارب المعقدة أنه ، بعد الضوضاء ظهرت ، لا تزال هناك فقاعات في السائل المشترك. كيف يمكن للانهيار الفقاعات تكون مصدر الصوت إذا كانت الفقاعات لا تزال موجودة؟ الآن ، طور زوج من العلماء نموذجًا رياضيًا من تصدع المفصل الذي يوضح كيف يمكن أن يكون كلاهما صحيحًا.
مص الفقاعات
المفصل يظهر عادة عندما تكون عظام المفصل مفصولة فجأة بكمية غير عادية من السوائل. كما العظمتين الأسطح تتحرك بعيدا ، السائل بين المفاصل يعاني فجأة فقدان الضغط. عندما ينخفض الضغط بدرجة كافية ، يتحول السائل إلى الغاز ، وخلق فقاعة. هذا هو التجويف.
السائل عالي الضغط المحيط بالفقاعة يندفع في و يسحق الحياة خارج الفقاعة بسرعة كبيرة. الانهيار السريع يولد موجات الضغط التي تترك السائل كموجات صوتية. ال انهيار حاد جدا للفقاعات هو ما يولد مميزة ظهرت الضوضاء. ولكن النقطة الرئيسية هي أن الفقاعات ينتهي ميت. ومع ذلك ، فإن الأدلة التجريبية تقول أنه لا يزال هناك فقاعات في السائل المشترك حتى بعد وفاة الأصداء بعيدا.
التحدي الكبير لفهم هذا بالتفصيل هو أنه تسحب الكثير من الفيزياء المختلفة في أوقات مختلفة النطاقات. نمذجة الفوضى كلها من النهاية إلى النهاية هي في الواقع غاية في الأهمية صعب.
حلول piecewise
لفهم التجويف في مفاصل المفصل ، زوج من الفيزيائيين تحليل عملياتها بشكل منفصل: تشكيل فقاعة ، فقاعة الانهيار ، وتوليد موجة الصوت. معادلات كل عملية تم تطويرها وحلها باستخدام نتائج الخطوة السابقة. لذلك ، على سبيل المثال ، المعادلات التي نموذج انهيار تأخذ الفقاعة خصائص الفقاعة من إخراج المعادلات هذا النموذج عملية تشكيل الفقاعة. ثم انهيار تستخدم الفقاعة لتوليد الموجات الصوتية في فصل ثالث model.
وجد الباحثون أن تكوين الفقاعة يحدث على الأرجح كما هو متوقع تمامًا: توفير المسافة بين العظام في المفصل صغير نسبيًا ، وسوف يسحب الجرار الثقيل الضغط بسرعة بما فيه الكفاية لضمان أن بعض السائل المشترك يتبخر وفقاعات يمكن أن تشكل. ولكن هذه المعادلات نموذج فقط انخفاض الضغط وليس عملية تشكيل الفقاعة. لذلك ، في الواقع ، فإن المدخلات إلى التالي مرحلة النموذج ليست فقاعة رياضية محسوبة الضغوط الداخلية والخارجية. بدلاً من ذلك ، حجم الفقاعة هو خمنت ويتم احتساب الضغط فقط.
في الخطوة التالية ، على الرغم من أن الباحثين كانوا في ل مفاجأة. فقاعة النموذج تنهار بسرعة ، كما هو متوقع. لكن ذلك لا تنهار تمامًا – الفقاعة تستقر عند حوالي نصفها الحجم الأصلي. هذا ، كما يخبرنا الباحثون ، يعني أن هناك اتفاق بين نموذج التجويف للمفصل ظهرت و الأدلة التجريبية. لكن ، مرة أخرى ، القصة أكثر دقة. في نموذج الباحثين ، لا يمكن أن تتلاشى الفقاعة ، ولا يمكن أن تتلاشى الانهيار إلى دائرة نصف قطرها صغير بلا حدود لأن الغاز داخل سوف يجب أن تصل إلى ضغط لانهائي. بدلا من ذلك ، سوف تتأرجح الفقاعة قليلا واستقر في دائرة نصف قطرها أن الضغط الداخلي و الضغط الخارجي متساو. هذا هو بالضبط ما الباحثين نلاحظ في نموذجهم الرياضي. لذلك ، بقاء فقاعة هو نوع من بنيت في لنموذجهم.
الخطوة الأخيرة هي التنبؤ بالصوت الذي تحدثه الفقاعة كما هي ينهار في نفسه. النتائج تظهر بوضوح أن النموذج يتوقع صوت تفرقع جيدا. تجدر الإشارة إلى أن هناك اختلاف كبير في القياسات التجريبية هنا ، لذلك يتنبأ النموذج بالميزات العامة الشائعة عبر جميع القياسات ولكن ليس تفاصيل الفرد قياسات.
البوب البوب هو البوب
الاتفاق بين التجربة والنموذج هو حقا تماما جيد ، لا سيما بالنظر إلى بساطة النموذج. بلدي كبير القلق هو أنه من خلال اختيار قطر الفقاعة و هندسة المفصل ، وكانوا في الأساس صقل نموذجهم تناسب. هذا صحيح في بعض النواحي: تتغير نتائج النموذج هندسة مشتركة. وأعتقد أنني أتوقع ذلك. أنا ببساطة لا أستطيع تخيل أن مفصل الورك سيجعل نفس صوت الإصبع مفصل عندما برزت.
من ناحية أخرى ، كنت أتوقع أن قطر ستكون الفقاعة مهمة: الفقاعة الأكبر ستحدث ضجة مختلفة بالمقارنة مع فقاعة صغيرة. لكن الباحثين اختبروا ذلك و الصوت لا يزال هو نفسه. رغم أنهم لم يحققوا السبب ، وأظن أنه بسبب ، مهما كانت كبيرة الفقاعة هو ، يمكن أن ينهار فقط إلى 50 في المئة من حجمها ، ومعدل الانهيار يبدو هو نفسه في كلتا الحالتين ، والتي قد تنتج نفس الطيف الصوتي.
البحث لا يتناول الموت النهائي لهذه فقاعات. هناك ، على ما أعتقد ، عدد من المسارات المحتملة التي فقاعة يمكن أن تتخذ. يمكن أن شظايا إلى فقاعات أصغر وأصغر. وهذا يتطلب نوعا من عدم الاستقرار في سطح الفقاعة ، الذي لا أعتقد أنه تم تضمينه في النموذج. بدلا من ذلك ، فإن فقاعات تختفي لأن سطح الفقاعة نافذ ، و بخار السائل المشترك يتكثف في السائل المحيط ، مما يسمح فقاعة لتقليص مستمر.
كل من هذه العمليات من المرجح أن تكون بطيئة مقارنة مع عملية تشكيل فقاعة والانهيار. لذلك يمكننا الحصول على المثابرة الفقاعات بعد البوب دون تحويلها إلى دائم سكان مفاصلنا.
استنتاج آخر مثير للاهتمام من النموذج هو أن هناك لا توجد حلول مستقرة للقوات المشتركة ظهرت فوق حوالي 15 نيوتن. هذا يتناقض مع التجارب ، حيث يكون الباحثون وجدت أن الناس في كثير من الأحيان تطبيق حوالي 100 نيوتن من القوة. ال ويشير الباحثون إلى أن الكثير من هذه القوة يتم تناولها بواسطة الأنسجة المحيطة بحيث جزء صغير فقط من الضغط هو تمارس على المفصل.
النموذج هو أيضا مثالية تماما. يفترض أن الضغط موجات من فقاعة واحدة لا تؤثر على الجيل أو الانهيار الفقاعات المجاورة. يعترف الباحثون أن هذا هو ربما ليس هو الحال لأنه سيتم تشكيل الفقاعات الأولى على طول خط وسط المفصل. كما تنهار تلك الفقاعات ، أكثر تتشكل الفقاعات بالقرب من حافة المفصل. الضغط سوف موجات من فقاعات الانهيار تمر عبر والتأثير تشكيل وانهيار فقاعات خارج المركز. هؤلاء التفاعلات المعقدة تجعل لبيئة غنية الهدف بقدر ما كما يذهب الفيزياء التجريبية والنظرية.
في النهاية ، قام الباحثون بعمل رائع هنا. لقد أظهروا كيف اثنين من النتائج التجريبية التي تبدو قد لا تكون متناقضة. في الوقت نفسه ، لقد فتحوا أ مجموعة كاملة من الأسئلة الجديدة: كم قوة ينتهي في المفصل؟ لماذا لا يهم حجم الفقاعة؟ كيف تؤثر الفقاعات على كل منها آخر؟ الى اين يذهبون؟
كما أثار الباحثون النقطة التي تجريبية الدليل متفرق إلى حد ما. المشكلة هي أن التجويف يحدث بسرعة حقا. عادة ، يستخدم العلماء كاميرات عالية السرعة ل مراقبة الديناميات. لسوء الحظ ، الداخلية المفاصل ليست كذلك هذا قابل للتصوير فائق السرعة.
التقارير العلمية ، 2018 ، DOI: 10.1038 / s41598-018-22664-4 (حول دويس).
