У шариковых цепочек обнаружили свойства полимеров

Физики обнаружили, что если собрать в кучу большое количество шариковых цепочек, то по своим механическим свойствам эта куча будет очень похожа на полимерный материал. Как и для полимеров, для системы линейно связанных шариков характерен экспоненциальный рост силы трения от количества звеньев в цепи и от глубины проникновения измерительного зонда, пишут ученые в Physical Review Letters.

Гранулированные (или сыпучие) среды интересны тем, что в зависимости от внешних условий могут вести себя совершенно по-разному. Типичный пример такой среды — это песок, который иногда может «течь», как жидкость, а иногда — быть твердым, как твердые тела. Гранулированные среды практически не имеют ограничения по масштабам: это могут быть микроскопические частички, песок, камни или, например, состоящие из астрономической пыли кольца Сатурна. При этом, несмотря на то, что необычные свойства гранулированных сред, характерные и для статического состояния среды, и для ее динамики, очень близки для всех размеров частиц, многие из них все еще не описаны теоретически.

Физики из Бельгии, Франции и Японии под руководством Паскаля Даммана (Pascal Damman) из Монсского университета решили изучить, что будет происходить со статическими свойствами гранулированных сред, если их отдельные элементы объединить в линейные цепочки. Ученых заинтересовала устойчивость структур, которые образуются из изначально разупорядоченных линейных элементов, такие как птичьи гнезда. Поскольку механические свойства таких систем определяются только особенностями упаковки элементов и силой трения, возникающей в точках их контакта, то существование похожих структур исследователи предположили и для связанных в цепочки гранулированных сред. Исследование физики провели с помощью эксперимента, в котором измеряли силы трения, которая возникает в собранных в кучу цепочек из небольших металлических шариков.

Для определения основных принципов, из которых определяется механика таких сред, физики провели эксперимент, в котором в пластиковый цилиндр засыпали шариковые цепочки, состоящие из одинакового количества звеньев (от 1 до 50 в разных экспериментах) размером 2 миллиметра. После этого внутрь этой массы цепочек с небольшой постоянной скоростью (от 0,1 до 1 миллиметра в секунду) опускали цилиндрический зонд диаметром 1,27 сантиметра. Для определения силы трения во время эксперимента исследователи измеряли силу сопротивления, которая действует на зонд со стороны среды, а после окончания эксперимента образовавшуюся структуру вытаскивали из цилиндра наружу.

Во-первых, оказалось, что при погружении зонда внутрь массы цепочек действующая на него сила растет экспоненциально. То есть по мере увеличения глубины такая система становится все менее гибкой. Во-вторых, по аналогичном закону сила трения растет в зависимости от числа звеньев в цепи (эффект от увеличения глубины оказался аналогичен эффекту от роста квадрата количества шариков в цепочке). Кроме того, похожим экспоненциальным образом сила трения растет при увеличении плотности упаковки цепочек и, наоборот, падает при увеличении размера одного звена.

При этом форма структуры, которую из цилиндра после окончания эксперимента вытащили наружу, тоже очень сильно зависит от количества звеньев в цепочке. Если короткие цепочки, состоящие из двух или трех элементов, рассыпаются практически как песок, то при увеличении количества звеньев система стремится сохранить свою форму, немного рассыпаясь только по краям.

Авторы работы отмечают, что как качественные, так и количественные наблюдения аналогичны результатам, полученным ранее для полимеров и описанным теоретически. Для полимерных материалов характерна подобная склонность к увеличению силы трения при погружении вглубь материала, а также — аналогичные зависимости от числа мономеров в молекулярной цепочке.

По словам физиков, такие связанные в линейные цепочки гранулированные вещества можно использовать для разработки новых функциональных материалов, в текстильной промышленности и биологии.

Стоит отметить, что несмотря на то, что гранулированные материалы повсеместно встречаются в природе, систематически изучать их начали сравнительно недавно. Например, в прошлом году ученые из Массачусетского технологического института описали физику вращения колес в песке, связав силу трения со скоростью вращения колеса, его размером и силой тяжести.

Александр Дубов