Материаловеды поручили студентам ломать вафельные батончики

SN / Youtube

Преподаватели материаловедения из Великобритании рассказали об использовании вафель с карамелью в шоколадной глазури в качестве объектов исследования в дистанционном лабораторном практикуме по изучению композитных материалов. Задачей студентов было подвергать вафли нескольким механическим тестам на излом у себя дома и давать качественное описание опыта, в то время как преподаватели делали то же самое на лабораторном оборудовании с точным измерением параметров. Сравнение собственных и лабораторных результатов, а также их интерпретация помогли студентам лучше понять механику процессов, происходящих в многослойных структурах. Статья с результатами работы опубликована в Physics Education.

Композитными материалами называют материалы, которые состоят их двух или более компонент с различными физическими и химическими свойствами. Особенность таких материалов в том, что правильная комбинация компонентов создает качественно новые свойства, которые невозможно получить простой суперпозицией исходных свойств. Если говорить о механике, то речь, как правило, идет о прочности, легкости, жесткости и так далее. Распространенный пример композитного материала — это листы фанеры.

Изучение таких структур сложно представить без разнообразных механических тестов, которые проводятся в условиях лаборатории на специально предназначенном для этого оборудовании. Это также касается и образовательного процесса, включающего в себя лабораторные работы студентов. Пандемия COVID-19, однако, внесла коррективы в учебные программы всего мира, и сильнее всего от нее пострадали именно их лабораторные части. Это сказывается на качестве образования в прикладных технических специальностях, в том числе в физике композитных материалов. Без доступа к лабораториям студенты в большинстве случаев вынуждены довольствоваться лишь дистанционной демонстрацией опытов, поскольку проведение их в домашних условиях, как правило, невозможно.

Группа преподавателей материаловедения из Университета Шеффилд, Великобритания, при участии Джулиана Дина (Julian Dean) попыталась скомпенсировать ущерб, нанесенный пандемией, предложив студентам исследовать в качестве композитного материала вафли с карамелью в шоколадной глазури популярной марки Tunnock`s, которые они могли купить в любом магазине. Идея преподавателей заключалась в том, чтобы предложить студентам, не выходя из дома, провести над вафельными батончиками серию испытаний на трехточечный изгиб и качественно зафиксировать результаты проведенного опыта. Сотрудники университета проводят те же самые опыты в лаборатории, где уже подробно фиксируют все результаты и передают их студентам.

Выбранные для опытов батончики представляют собой композит с сэндвич-структурой длиной 92 мм, толщиной 19 мм и шириной 27 мм из пяти слоев вафель, между которыми расположены четыре слоя карамели. Сверху вафельный батончик покрыт шоколадной глазурью, чьи эстетические и вкусовые свойства были оценены авторами очень высоко, однако ее влияние на механические свойства было ничтожным.

Для исследования механических свойств вафель с карамелью авторы использовали испытания на трехточечный изгиб. Они клали батончик на две симметричные неподвижные опоры и давили наконечником сверху на его середину. Ученые могли измерять оказываемое давление и смещение точки (деформацию), к которой оно прикладывается. Испытания проводились для батончиков трех разных температур: комнатной (примерно 20 градусов), низкой (после десяти минут в морозильной камере, примерно −5 градусов) и высокой (примерно 30 градусов). Сами батончики были ориентированы в пространстве двумя способами: в одном случае слои вафель и карамели были перпендикулярны прикладываемой силе, в другом — параллельны (то есть сила действует на батончик сбоку).

Студентам же предлагалось проводить испытания вручную у себя дома. В роли наконечника следовало использовать сведенные вместе к середине батончика большие пальцы, а остальные пальцы играли роль опоры. Конечно, измерять прикладываемое пальцами давление студенты не могли, но им было предложено записывать тактильные ощущения и звуки, которые они слышат, а пронаблюдать характер распространения трещины и форму разрыва. По окончанию опытов они сравнивали свои результаты с графиками зависимости нагрузки от деформации, предоставленными преподавателями.

Во всех опытах поведение батончика существенно отличалось для случаев разной ориентации. При перпендикулярной ориентации структура выдерживала меньшие давления, однако само разрушение имело более протяженный характер. Авторы объясняли это тем, что более податливые слои карамели перераспределяли силы и натяжения, действовавшие на более жесткие вафельные слои. При параллельной же ориентации батончик выдерживал больше давление, но трещина в нем возникала гораздо быстрее вместе с характерным звуком.

Повышение температуры сделало образец пластичнее, но менее прочным, что сильнее проявилось для перпендикулярной ориентации, а понижение — наоборот. На графиках зависимости нагрузки от деформации для перпендикулярной ориентации холодных образцов авторами была отмечена характерная пилообразная структура. Ее возникновение связано с тем, что разрушение всего образца происходит послойно. После разрушения каждого вафельного слоя карамель перераспределяет нагрузку, и поэтому измеряемое давление несколько проседает. С ростом деформации оно снова растет, пока не сломает следующий слой, и так далее.

Ученые отметили, что такое поведение материала может измениться, если температура опустится ниже особой отметки, известной как температура хрупко-пластичного перехода. Это довольно опасное свойство материалов, которое уже приводило к катастрофам. В частности известно, что из-за него страдали транспортные пароходы типа «Либерти», и оно даже стало одной из причин гибели «Титаника».

Чтобы исследовать этот переход в вафельных батончиках, авторы охладили их до температуры −192 градуса по цельсию с помощью жидкого азота (этот опыт сопровождался предупреждением не выполнять его дома). В результате, анализируя график зависимости нагрузки от деформации для перпендикулярной ориентации, ученые не увидели пилообразного характера давления. Трещина образовалась при очень малой деформации, снизив напряжения до уровня, при котором она временно прекратила движение. Однако увеличение деформации в конце концов привело к полному разрушению батончика.

В заключении авторы отмечают, что целью их исследования было разработать такой эксперимент, который мог бы с помощью простых тестов помочь студентам понять свойства композитов с сэндвич-структурой. Они подчеркивают, что предложенная ими процедура может быть проведена, не выходя из дома, с применением материалов, которые легко купить в магазине. Ученые надеются, что проведенные со студентами опыты поднимут их мотивацию к дальнейшему изучению материаловедения, а также даст им идеи, какие еще лакомства они могут испытать.

Физики часто пытаются наглядно описать явления, которые происходят с предметами вокруг нас. Ранее они научились ломать спагетти пополам, а недавно разобрались, что будет, если сгибать пачку листов.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.