Физики объяснили «скачки» при отрывании скотча
Французские физики разработали качественную модель, которая объясняет микроскопические «скачки» клейкой ленты, отматываемой с рулона. Для этого ученые записывали на высокоскоростную камеру, как отклеиваются разные виды скотча, натянутые под различными углами к поверхности. В результате исследователи выяснили, что амплитуда «скачков» пропорциональна кубическому корню их периода, а скорость изгибной волны, пробегающей по границе скотча, обратно пропорциональна жесткости ленты. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Когда вы в следующий раз будете отматывать от рулона скотч, обратите внимание, что этот процесс происходит неравномерно: бо́льшую часть времени липкая лента отклеивается неохотно, но в какие-то моменты резко «прыгает» и отматывается сравнительно большой участок. Физики называют этот процесс макроскопическим проскальзыванием. Интересно, что он происходит даже тогда, когда лента будто бы отклеивается равномерно: в 2010 году группа ученых под руководством Такехару Это (Takeharu Etoh) засняла процесс отклеивания скотча на высокоскоростную камеру и обнаружила, что каждый макроскопический «скачок» разбивается на более мелкие скачки длиной порядка ста микрометров. Более того, линия, которая разделяет свободную и приклеенную части ленты, оказалась не прямой. Вместо этого перпендикулярно ленте бежит сверхзвуковая волна, вдоль которой отклеиваются новые кусочки.
В 2015 году группа ученых под руководством Стефана Сантуччи (Stéphane Santucci) попыталась объяснить этот процесс. Для этого исследователи фиксировали нижний слой скотча, наклеивали на него второй слой и отрывали под прямым углом с помощью моторчика. Процесс отрывания ученые записывали на камеру с разрешением 10 микрометров на пиксель и частотой 525 тысяч кадров в секунду. В результате физики обнаружили, что циклы отслаивания определяются энергией упругих деформаций, которая периодически накапливается и высвобождается около линии отрыва. К сожалению, исследователи так и не смогли разработать модель этого процесса и установить, почему он оказывается нестабильным.
В новой статье физики наконец разрешили эту загадку. Так же, как и в прошлый раз, ученые работали со скотчем 3M Scotch 600 — прозрачной полиолефиновой лентой, покрытой тонким слоем синтетического акрилового клея. Тем не менее, на этот раз исследователи дополнительно пропитывали скотч жестким клеем, что позволяло изменять модуль изгиба ленты почти в два раза. Кроме того, в этом эксперименте физики варьировали угол отрыва, длину ленты и скорость отклеивания. Скорость отматывания составляла 1,8 метра в секунду. Все происходящие процессы ученые записывали на камеру с разрешением 10 микрометров на пиксель и частотой 300 тысяч кадров в секунду.
В результате ученые обнаружили, что амплитуда «скачков» зависит от угла отрыва и жесткости ленты — однако во всех этих случаях она пропорциональна кубическому корню из периода «скачков» (который неявно зависит от параметров скотча). Во время «скачка» по границе свободной и приклеенной части пробегает изгибная волна со скоростью 650–900 метров в секунду. Таким образом, промежуток времени, в течение которого происходит отрыв, длится менее одной микросекунды, тогда как период относительного покоя достигает ста микросекунд.
Чтобы объяснить эту зависимость, физики разработали качественную теоретическую модель, которая связывает энергию упругих деформаций ленты и липкого слоя, кинетическую энергию системы и эффективную энергию разрушения клея. Грубо говоря, в этой модели лента приближается пружинкой, которая накапливает энергию, пока не превысит порог, достаточный для разрушения клея, а затем резко ее высвобождает. Поскольку энергия упругих деформаций ленты зависит от жесткости и угла отрыва (то есть радиуса кривизны), эти параметры влияют на амплитуду «скачков» и скорость волны, пробегающей по границе свободной поверхности в момент отрыва. Несмотря на качественный характер модели, она хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Далеко не всегда физики занимаются «серьезными» исследованиями, связанными с элементарными частицами, квантовыми компьютерами или необычными материалами. Иногда их работы носят более прикладной характер, а объекты исследований встречаются в повседневной жизни. Например, в феврале 2016 года французские ученые разработали модель, которая описывает процесс выдувания мыльных пузырей, и связали объем пузырей со скоростью и диаметром потока воздуха, продувающего каркас. В декабре 2017 ученые США, Швеции и Южной Кореи подробно изучили расслоение молока и кофе в латте. В том же месяце физики из Нидерландов рассчитали оптимальные условия для трюка с подбрасыванием бутылки, частично наполненной водой. А в августе 2018 исследователи из Франции и США научились ломать спагетти пополам (обычно макаронины ломаются на три или больше частей).
Прочитать, как американские астронавты починили луноход с помощью скотча, можно в блоге «„Марсианин“, лунный вездеход и скотч».
Дмитрий Трунин
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.