物理学。Rev.E 72，016603（2005）-聚四氟乙烯珠链中的强非线性波

聚四氟乙烯珠链中的强非线性波

C.Daraio、V.F.Nesterenko、E.B.Herbold和S.Jin

物理学。版本E72，016603–2005年7月6日出版

摘要

一维“声真空”型声子晶体由聚四氟乙烯（PTFE，Teflon）球体链组装而成，球体直径不同，置于聚四氟纶支架中。结果表明，这种聚合物基声波真空具有极低的颗粒弹性模量，支持极低速度的强非线性孤立波传播。尽管聚合物具有粘弹性并且接触区具有高应变率变形，但这些孤立波可以用经典非线性赫兹定律描述。实验测量的高振幅孤立波速度接近理论估计值，杨氏模量为 $1.46 平均绩点$ 从冲击波实验中获得。这明显高于超声波测量得出的PTFE的杨氏模量。对撞击激发的强非线性孤立波列进行了实验研究，发现虽然表现出明显的耗散，但与基于赫兹相互作用定律的数值计算结果基本一致。

收到日期：2005年3月11日

内政部：https://doi.org/10.103/PhysRevE.72.016603

作者和附属机构

C.达赖奥¹,V.F.内斯特伦科^1,2,*,E.B.赫伯德²、和S.Jin公司^1,2

¹美国加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程项目，邮编：92093-0411
²美国加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系，邮编：92093-0411

^*通讯作者。电子邮件地址：vnesterenko@ucsd.edu

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问题

第72卷，第。2005年7月1日

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图1
（在线彩色）（a）用聚四氟乙烯珠测试一维强非线性声子晶体的实验装置；（b）嵌入压电传感器的粒子示意图。重用权限（&P）
图2
（在线彩色）（a）显示作用于嵌入传感器的颗粒不同部分的力的示意图。（b）粒子与嵌入式传感器的两个接触的数值计算中获得的力与时间关系图（左右曲线对应于 ${F类}_{1}$ 和 ${F类}_{2}$ )和前两个（中心曲线）的平均值。（c）系数的相关性 $β$ 关于归一化动态平均力的振幅 $({F类}_{米, n个} ∕ {F类}_{0})$ 在孤波中[ ${F类}_{米, n个}$ 是数值计算中发现的（b）]中中心曲线的最大值。重用权限（&P）
图3
孤立波速度与其振幅的相关性。（a）离散链的数值结果与长波近似得到的分析数据的比较。曲线1和3表示重力预压缩系统的长波近似[等式(4)]在 $E类 = 1460$ 和 $600 兆帕$ 分别；曲线5和7表示离散链的相应数值计算。曲线2和4是基于方程式(三)对于杨氏模量等于1460且 $600 兆帕$ 分别是。曲线6和8表示这些情况的相应数值计算。（b）将实验值（以实心点表示）与长波近似获得的曲线进行比较。（b）中的曲线1-4与（a）中的相同。重用权限（&P）
图4
（在线彩色）PTFE滚珠撞击器在PTFE链中以速度产生的孤立波 $2 米 ∕ 秒$ （a）在21个直径的聚四氟乙烯珠链中实验检测到的入射和反射孤立波以及作用在墙壁上的力 $4.76 毫米$ 曲线表示从墙上嵌入第九个球的传感器检测到的力与时间（顶部曲线），从墙上嵌入到第五个球的感应器检测到的力量与时间（中间曲线），以及在墙上（垂直刻度等于 $0.5 N个$ ). （b）离散链在与（a）中的实验条件相对应的条件下的数值计算。曲线表示作用在每个传感器顶部和底部触点上的力的平均值。垂直轴上的网格缩放为 $2 N个$ .重用权限（&P）
图5
（在线彩色）实验和理论结果表明，短链聚四氟乙烯珠的直径 $4.76 毫米$ 支持由质量等于粒子质量四倍的氧化铝冲击器引起的一系列孤立波。（a）安装在支撑11-PTFE颗粒链的墙壁上的传感器在实验中检测到的力，撞击速度 $0.44 米 ∕ 秒$ ，垂直刻度 $1 N个$ （b）与（a）中的实验条件相对应的数值计算，包括重力预压；垂直刻度为 $1 N个$ ，弹性模量 $1.46 平均绩点$ .重用权限（&P）
图6
（在线彩色）实验和理论结果表明，较小颗粒的PTFE链 $2.38 毫米$ 直径支持实验中经耗散修正的孤立波和振荡“激波”。（a）在由18个较小的聚四氟乙烯球组成的链中，在壁上检测到带有振荡尾的前导孤立波 $(0.016 克)$ [速度 $2 毫米$ 直径钢球冲击器 $(0.036 克)$ 是 $0.89 米 ∕ 秒$ ]. （b）与（a）中实验条件相对应的数值计算，包括重力预压；弹性模量 $1.46 全球生产总值$ .（c）在壁上检测到的振荡“冲击”波，产生于18个PTFE球的链中，以一定速度冲击 $0.89 米 ∕ 秒$ 用一个 $5 毫米$ 直径PTFE球 $(0.123 克)$ （d）与（c）中的实验条件相对应的数值计算中检测到的孤立波列，包括重力预压；弹性模量 $1.46 平均绩点$ .重用权限（&P）

物理审查E

涵盖统计、非线性、生物和软物质物理

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