Капля точит не только камень!

Выдающийся советский физико-химик академик Петр Александрович Ребиндер был первым, кто попытался воздействовать на работу разрушения твердого тела. Именно Ребиндеру удалось понять, каким образом это можно осуществить. Еще в 20-х годах прошлого века он использовал для этой цели так называемые поверхностно-активные, или адсорбционно-активные, вещества, которые способны эффективно адсорбироваться на поверхности даже при низкой концентрации в окружающей среде и резко снижать поверхностное натяжение твердых тел. Молекулы данных веществ атакуют межмолекулярные связи в вершине растущей трещины разрушения и, адсорбируясь на свежеобразованных поверхностях, ослабляют их. Подобрав специальные жидкости и введя их на поверхность разрушаемого твердого тела, Ребиндер добился поразительного уменьшения работы разрушения при растяжении (рис.1).

Рис. 1. Зависимость напряжения от деформации монокристаллов цинка при 400°С:

1 - на воздухе; 2 - в расплаве олова.

На рисунке представлены деформационно-прочностные кривые монокристалла цинка (пластинки толщиной порядка миллиметра) в отсутствие и в присутствии поверхностно-активной жидкости. Момент разрушения в обоих случаях отмечен стрелками. Хорошо видно, что если просто растягивать образец, он разрушается при более чем 600% удлинении. Но если ту же процедуру производить, нанеся на его поверхность жидкое олово, разрушение наступает всего при ~10% удлинении. Поскольку работа разрушения - это площадь под кривой зависимости напряжения от деформации, нетрудно заметить, что присутствие жидкости уменьшает работу даже не в разы, а на порядки. Именно этот эффект и был назван эффектом Ребиндера, или адсорбционным понижением прочности твердых тел [1].

Эффект Ребиндера - универсальное явление, оно наблюдается при разрушении любых твердых тел, в том числе и полимеров. Тем не менее природа объекта вносит свои особенности в процесс разрушения, и полимеры в этом смысле не исключение. Полимерные пленки состоят из крупных целых молекул, удерживаемых вместе силами Ван-дер-Ваальса или водородными связями, которые заметно слабее, чем ковалентные связи внутри самих молекул. Поэтому молекула, даже будучи членом коллектива, сохраняет некие обособленность и индивидуальные качества. Главная особенность полимеров - цепное строение их макромолекул, которое обеспечивает их гибкость. Гибкость молекул, т.е. их способность изменять свою форму (за счет деформации валентных углов и поворотов звеньев) под действием внешнего механического напряжения и ряда других факторов, лежит в основе всех характеристических свойств полимеров. В первую очередь - способности макромолекул к взаимной ориентации. Правда, надо оговориться, что последнее относится только к тем из них, в которых мономерные звенья соединены в цепочки, - к линейным полимерам. Существует огромное количество веществ, имеющих большой молекулярный вес (например, белки и другие биологические объекты), но не обладающих специфическими качествами полимеров, поскольку сильные внутримолекулярные взаимодействия мешают их макромолекулам сгибаться. Более того, типичный представитель полимеров - натуральный каучук, - будучи "сшитым" с помощью специальных веществ (процесс вулканизации), может превратиться в твердое вещество - эбонит, не подающий вообще никаких признаков полимерных свойств.

Ориентационные эффекты в полимерах легко наблюдать в быту. Каждый из нас растягивал руками кусок полиэтиленовой ленты или край пленки. В этом случае происходит образование так называемой шейки (материал резко суживается). Шейка, в отличие от исходной недеформированной пленки, содержит развернутые взаимно ориентированные макромолекулы. Ориентация молекул придает полимеру в целом высокие механические показатели в направлении ориентации. Это явление широко используется в промышленности (ориентационное вытягивание), например для улучшения механических свойств химических волокон.

Взаимное ориентирование макромолекул делает полимеры рекордсменами среди твердых тел по способности к обратимой деформации. Действительно, полимер вроде часто используемой в быту канцелярской резинки может быть растянут на многие сотни и даже тысячи процентов как раз потому, что молекулярные клубки умеют разворачиваться и выстраиваться. Отпустив растянутую резинку, мы наблюдаем обратный процесс - немедленное ее сокращение до первоначальных размеров. Он обусловлен самопроизвольным переходом ориентированных макромолекул к исходному неориентированному состоянию под действием теплового движения (после нагревания до определенной температуры и вытянутая шейка полимера, подобно канцелярской резинке, восстановит свои размеры). Именно способность макромолекул изменять форму придает полимерам высокую стойкость к разрушению. Не случайно стеклянная бутылка, упав на кафельный пол, разбивается на множество осколков, в то время как пластиковая бутылка всего лишь отскочит от пола на значительную высоту и останется целой.

Дополнительные материалы

Измерение магнитострикции ферромагнетика
Данная работа посвящена изучению поведедения ферромагнетиков в магнитном поле. Хотя магнитное взаимодействие является малой поправкой к электрическим обменным силам, обусловливающим самопроизвольную намагниченность, тем не менее, они ...

Оптика Гамильтона — Якоби
Когда в 1830 г. ирландец Уильям Роуан Гамильтон (1805—1865) начал заниматься оптикой, волновая теория света еще не была общепринятой. Пуассон был еще последователем корпускулярной теории. Био, самый консервативный из великих физиков XIX ве ...

Измерение угла опережения зажигания
Одним из распространенных методов проверки системы зажигания, в частности угла опережения зажигания, является стробоскопический, при котором импульс высокого напряжения на свече первого цилиндра поджигает стробоскопическую лампу, дающую в ...

Разделы

Электромагнитный импульс как оружие

История вопроса и современное состояние знаний в области эми.

Лабораторные стенды в учебном процессе

Обзор и сравнительный анализ существующих стендов.

Аспекты технического знания

Технический объект и предмет технических наук.

Сварка металлов плавлением

Классификация электрической дуговой сварки.

Распределение примесей в кремнии

Описание процесса зонной плавки и ее математическая модель.



Наука сегодня и вчера - www.anytechnic.ru