Излом материалов
Упругость и пластичность не всегда можно четко различить. Когда я учился в школе, мы любили гнуть пластиковые линейки до тех пор, пока они неожиданно с громким треском не ломались. Тогда вместо деревянных линеек стали использовать блестящие линейки из пластмасс. Они разламывались на мелкие осколки, похожие на стекло. Производители позже разработали другие, более «безопасные» изделия, из более пластичного и одновременно эластичного акрила, который сгибался и напрягался, но хотя бы звуком предупреждал о том, что вот-вот сломается.
Ломающиеся материалы тоже эластичны, но в такой незначительной степени, что мы этого не замечаем. Предел их упругости значительно меньше, чем у резины. Даже стекло эластично: более того, оно вдвое эластичнее стали. Когда вы попадаете футбольным мячом в стекло и он отскакивает от него, стекло проявляет свою пусть незначительную, но эластичность. При этом стекло вибрирует, и так же вибрирует отражение в нем. Самый безопасный способ демонстрации эластичности стекла – щелчок ногтем по стеклянному бокалу или проведение мокрым пальцем по его верхнему краю. При этом бокал издает звук. Стекло в силу своей эластичности немного вибрирует, и это порождает звук.
Пределы воздействия на стекло значительно меньше, чем на по-настоящему эластичные или пластичные материалы, а также на более жесткие материалы вроде стали. Трудно поверить, что стекло эластичнее стали и при этом так легко разрушается. Но тут нет противоречия. Стекло разбивается из-за того, что достаточно небольшой энергии, чтобы нарушить его структуру и вызвать в нем трещины. Но это не значит, что оно разбивается всегда. Вы можете уронить бокал или чашку, и если вам повезет, то они останутся целы. Почему? В следующий раз понаблюдайте повнимательнее, и вы заметите, что оброненный стеклянный предмет меняет свое положение в пространстве. Значительная часть энергии тратится на изменение траектории его движения или вращение. Стеклянный предмет поглощает меньше энергии – соответственно, уменьшается и вероятность его разрушения.
У пластичных материалов всегда есть предел пластичности. Вы можете несколько раз сгибать и выпрямлять металлическую линейку (это значит, что металл пластичен – вы можете его деформировать). Но в какой-то момент она распадется на две части. Это отлично видно на примере металлических скрепок для бумаги. Если вы согнете и разогнете скрепку с десяток раз, она, скорее всего, сломается. Почему? Потому что в кристаллической решетке металла нарушается порядок расположения атомов. Повторное воздействие силы заставляет деформироваться новые слои атомов, что в итоге приводит к разрыву структуры. На финальной стадии для структуры энергетически выгоднее распасться, чем оставаться единой. В критической точке (в науке она называется критической длиной трещины Гриффитса) этот разрыв может получить изнутри материала достаточно энергии для того, чтобы разъединить его части.
▲ Использование трещин в материалах. Материалы обычно распадаются, когда маленькие трещины в них получают достаточно энергии, чтобы превратиться в разрывы. Производители шоколада используют этот принцип, чтобы помочь вам разделить его на дольки. Для этого на поверхности плитки при отливке делаются специальные канавки, по которым она разламывается. Когда вы давите на края плитки, в шоколаде создается натяжение и его силы действуют на плитку по параллельным линиям. На поверхности плитки силы концентрируются вокруг канавки. В результате она ломается вдоль канавок – как вы и хотели.
Некоторые материалы разрушаются в силу своей непрочности. В других разрушения могут происходить из-за ошибок производства, когда наибольшая нагрузка падает на самые слабые места. В злополучных самолетах Havilland Comet причина состояла в том, что вырезы в фюзеляже для окон и дверей ослабили металлическую конструкцию корпуса. В результате систематического воздействия гигантских сил на фюзеляж ослабли заклепки и другие соединения, что привело к фатальным последствиям. Производитель протестировал самолеты и определил срок их службы в небе в 10 лет, но ошибся. Реальные нагрузки оказались втрое больше тех, которые инженеры обнаружили при лабораторных испытаниях. В результате произошли трагические катастрофы этих самолетов после пары лет эксплуатации. Грубо говоря, эти аппараты были похожи на металлические скрепки, которые без конца сгибались и разгибались огромной силой сопротивления воздуха. Эти случаи стали классическими примерами того, что мы называем усталостью металла: неожиданное его разрушение под воздействием кумулятивного эффекта от постоянного механического напряжения.
