Un avion doit aller assez vite pour qu'une simple goutte de pluie fasse craquer son pare-brise, mais ça peut arriver. Maintenant, de nouveaux modèles de la physique derrière l'exploit improbable pourraient bien aider les médecins à briser les calculs rénaux en morceaux.

Lorsque les jets supersoniques ont été développés pour la première fois à des fins commerciales dans les années 1960, les chercheurs ont découvert un phénomène curieux qui se produit parfois lors de vols d'essai à travers les forêts tropicales. Même si les gouttes de pluie ne pèsent presque rien, ils sont capables de créer des fissures en forme d'anneau dans les pare-brise substantiels des jets.

Bien que les scientifiques aient d'abord eu du mal à expliquer cette curiosité, Les professeurs Frank Philip Bowden et John Field de l'Université de Cambridge ont finalement reconnu les ondes de surface comme les coupables. Parce que les ondes de surface se propagent dans seulement deux dimensions, ils ont un coup de poing beaucoup plus puissant que leurs homologues tridimensionnels. Certains détails du phénomène, cependant, sont restés mal compris en raison d'un manque de mathématiques pour le décrire et de montages expérimentaux pour valider les modèles proposés.

Dans un nouvel article publié le 1er novembre dans Examen physique de la recherche , Pei Zhong, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université Duke, et son ancien étudiant diplômé Ying Zhang, maintenant ingénieur acoustique pour Bose, ont comblé cette lacune dans les connaissances scientifiques.

La paire a créé un système expérimental pour visualiser le stress créé par de telles ondes de surface. Ils ont mis un appareil de lithotripsie conçu pour briser les calculs rénaux avec des ondes sonores dans une cuve d'eau recouverte d'une feuille de verre, puis a déclenché une explosion ponctuelle qui s'est étendue comme une onde de choc sphérique. Selon l'angle auquel l'onde de choc frappe le verre, il peut produire des ondes de surface qui se propagent à la limite du verre soluble.

Avec une caméra ultra-rapide, l'équipe a mesuré la vitesse de divers éléments d'une onde de choc sur les simples instants nécessaires pour se propager à travers le verre. Zhang a utilisé ces mesures pour valider un modèle d'éléments finis construit à l'aide d'un logiciel multiphysique appelé COMSOL. Les modèles ont réussi à reproduire les caractéristiques d'une série d'ondes de volume et de surface souvent observées dans de telles situations, dont un qui peut éviter aux personnes d'avoir besoin d'une intervention chirurgicale pour enlever les calculs rénaux.

Les chercheurs ont découvert que le type d'onde principalement responsable de la plupart des contraintes et des dommages, appelé onde de Rayleigh à fuite, se propage beaucoup plus rapidement qu'un deuxième type d'onde appelé onde évanescente. Alors qu'ils sont créés en même temps sur la frontière du verre d'eau, l'onde de Rayleigh qui fuit s'éloigne finalement de l'onde évanescente, qui est le moment et l'emplacement de la contrainte de traction la plus élevée causée par le phénomène.

Ils ont également découvert que les fissures circulaires observées à l'origine sur les pare-brise des jets supersoniques ne se forment pas nécessairement à ce stade - elles nécessitent une imperfection existante dans le verre pour commencer. Mais une fois lancé, la fissure se propage selon une trajectoire circulaire, suite à la première contrainte principale dans le solide déclenchée par l'avancée de l'onde de Rayleigh à fuite.

« Le défi pour le traitement des calculs rénaux est de réduire les calculs en fragments très fins afin que les médecins n'aient pas à suivre de procédures auxiliaires, " a déclaré Zhong. " Sur la base des connaissances acquises grâce à ce modèle, nous pourrons peut-être optimiser la forme des ondes de choc et la conception du lithotriteur pour créer plus de tension à la surface des calculs rénaux pour ouvrir les défauts plus efficacement. »