Un avión tiene que ir bastante rápido para que una simple gota de lluvia rompa su parabrisas, pero puede suceder. Ahora, los nuevos modelos de la física detrás de la improbable hazaña pueden ayudar a los médicos a romper los cálculos renales en pedazos.
Cuando los chorros supersónicos se desarrollaron por primera vez para uso comercial en la década de 1960, los investigadores descubrieron un fenómeno curioso que a veces ocurre en vuelos de prueba a través de los bosques tropicales. Aunque las gotas de lluvia no pesan casi nada, son capaces de crear grietas en forma de anillo en los chorros 'parabrisas sustanciales.
Aunque los científicos inicialmente tuvieron dificultades para explicar esta curiosidad, los profesores Frank Philip Bowden y John Field de la Universidad de Cambridge finalmente reconocieron a las ondas de superficie como los culpables. Debido a que las ondas de superficie se extienden en solo dos dimensiones, tienen un golpe mucho más poderoso que sus treshomólogos tridimensionales. Sin embargo, ciertos detalles del fenómeno han quedado mal entendidos debido a la falta de matemáticas para describirlo y configuraciones experimentales para validar los modelos propuestos.
En un nuevo artículo publicado el 1 de noviembre en Investigación de revisión física , Pei Zhong, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Universidad de Duke, y su ex estudiante graduado Ying Zhang, ahora ingeniero acústico de Bose, han cerrado esa brecha en el conocimiento científico.
El par creó un sistema experimental para visualizar el estrés creado por tales ondas superficiales. Pusieron un dispositivo de litotricia diseñado para romper los cálculos renales con ondas de sonido en un tanque de agua cubierto por una lámina de vidrio, y luego provocaron una explosión de fuente puntualque se expandió como una onda de choque esférica. Dependiendo del ángulo en el cual la onda de choque golpea el vidrio, puede producir ondas de superficie que se extienden en el límite del vidrio de agua.
Con una cámara de alta velocidad, el equipo midió la velocidad de varios elementos de una onda de choque en los simples momentos que lleva propagarse a través del vidrio. Zhang usó esas mediciones para validar un modelo de elementos finitos construido usando un software multifísico llamado COMSOLLos modelos reprodujeron con éxito las características de una serie de ondas de masa y de superficie a menudo observadas en tales situaciones, incluida una que puede evitar que las personas necesiten cirugía para eliminar los cálculos renales.
Los investigadores descubrieron que el tipo de onda principalmente responsable de la mayor parte del estrés y el daño, llamado onda de Rayleigh con fugas, se propaga mucho más rápido que un segundo tipo de onda llamada onda evanescente. Si bien se crean al mismo tiempotiempo en el límite del vaso de agua, la ola de Rayleigh con fugas finalmente se aleja de la onda evanescente, que es el momento y la ubicación del mayor esfuerzo de tensión causado por el fenómeno.
También descubrieron que las grietas circulares observadas originalmente en los parabrisas supersónicos no necesariamente se forman en este punto, requieren una imperfección existente en el vidrio para comenzar. Pero una vez iniciadas, la grieta se propaga a lo largo de una trayectoria circular,después del primer estrés principal en el sólido provocado por el avance de la ola de Rayleigh con fugas.
"El desafío para tratar los cálculos renales es reducir los cálculos a fragmentos muy finos para que los médicos no tengan que seguir ningún procedimiento auxiliar", dijo Zhong. "Según la información obtenida a través de este modelo, podemos sercapaz de optimizar la forma de las ondas de choque y el diseño del litotriptor para crear más tensión en la superficie de los cálculos renales para abrir los defectos de manera más eficiente ".
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud R37-DK052985-22.
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Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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