Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Мы уже знаем, как успешно работают многие окружающие нас дома материалы: дерево, стекло, клей. Но что становится причиной проколов?

Потеря эластичности

Я часто думаю, что мог бы прыгнуть с крыши небоскреба или с моста. Раскачиваясь на ходящей ходуном крыше, цепляясь за ограждение, почему бы не прыгнуть в неизведанное? Как ученый я убежден в теории упругости, и если бы я прыгнул, то будьте уверены: мою талию охватывал бы надежный пояс с прикрепленным к нему суперэластичным тросом. Упругость – материальное воплощение поворота времени вспять: будущее похоже на прошлое, в которое всегда можно вернуться.

Как появились эластичные материалы? У вас дома наверняка есть эластичные резинки, жгуты, ремешки для часов, клеящаяся пленка и т. п. Хотя по сути эластичных материалов не существует. Этим термином мы называем более-менее растягивающиеся материалы. В главе 1 мы заметили, что высочайшие здания мира раскачиваются с амплитудой до метра на самом верху. Так что даже такое неподходящее к определению «растягивающееся» сооружение, как небоскреб, по сути, обладает этим свойством (иначе оно упало бы). Если говорить точно, то упругие материалы являются эластомерами. Самый известный из них – каучуковая резина (причем это эластомер природный). Эластомеры – материалы, которые состоят из больших перевитых молекул. Когда вы их растягиваете, молекулы расходятся и выпрямляются, но сразу возвращаются в первоначальное состояние, как только вы прекращаете воздействовать на материал с силой.

▲ Почему растягивается резина? Каучук (сырье для резины) состоит из длинных, переплетенных между собой молекул. Когда вы растягиваете кусок латекса, молекулы выпрямляются и растягиваются (проявляя пластичность), но тут же сокращаются и занимают прежний порядок, как только вы растягивание прекращаете (проявляя упругость). Каучуку можно придавать разную форму без применения большой силы. Поэтому он непрочный, сильно размягчается и становится липким даже при невысоких температурах. Твердая, черная вулканизированная резина – естественный каучук, «приготовленный» с серой. Этот процесс был случайно открыт американским изобретателем Чарльзом Гудьиром в 1839 году после многих лет безуспешных экспериментов. Тогда он случайно уронил каплю латекса на горячую печь. Сера помогает образовывать крепкие поперечные связи между молекулами каучука. Чтобы растянуть эти крепко сцепленные между собой молекулы, необходима значительная сила. Поэтому вулканизированная резина тверже, прочнее и долговечнее каучука. Она сохраняет прочность в значительном диапазоне температур – от 60 до 200 °C. Она незаменима для автомашин.

Каучук иногда используется в неожиданных местах. Раньше жевательную резинку делали из натурального каучука – чикла. Он до сих пор используется в праздничных воздушных шариках и авторезине[118]. Современные жевательные резинки изготавливаются из синтетических каучуков вроде стирол-бутадиена (он может входить и в состав подошв ваших туфель) или поливинилацетата (который содержится в скользком клее-карандаше)[119]. Так что не стоит глотать такую жвачку.

Пластичность или упругость?

Иногда под «эластиками» мы понимаем любые эластичные материалы, но с научной точки зрения упругость – почти полностью обратимая растяжимость. Когда вы растягиваете резиновую ленту и отпускаете ее, она возвращается в свои первоначальные размер и форму. Если вам не наскучит, вы можете повторить это упражнение сотни раз с тем же эффектом.

Как неправильно называть все эластичные вещи «эластиками», так же неправильно называть и все сделанное из пластмассы «пластиками». Под ними мы подразумеваем яркие изделия вроде пластмассовых сосудов или зубных щеток. Однако пластичный в строгом научном понимании означает «мягкий, податливый, изменяемый». Пластические материалы (для простоты будем называть их пластмассами) не обязательно податливы или мягки, когда находятся в ваших руках. Но основа, из которой они сделаны (в основном это различные смеси углеводородов), изначально была мягкая и горячая. Поэтому из нее можно создавать яркие изделия для вашего дома путем закачивания ее в формы, сжатия или раскатывания (различных видов деформации). Другая причина податливости пластмасс состоит в том, что мы можем производить из них очень тонкие волокна. Например, волоски зубной щетки сделаны путем пропуска расплавленной пластмассы через специальные устройства с тысячами маленьких отверстий, называемые многоканальными мундштуками. Волокна пластмассы в нейлоновых чулках еще тоньше. Поразительно, но в одном обычном нейлоновом чулке содержится около 9 км тончайших нейлоновых волокон. И они при этом имеют массу всего около 15 г.

Изделия из пластмасс обладают упругостью. Вы можете немного изогнуть толстую ручку зубной щетки, и она сразу же вернется в первоначальное положение. Если вы приложите больше усилий и отогнете ее сильнее, то поймете, почему пластмассы получили такое название. Возьмите красную щетку и сильно изогните ее ручку. Вы увидите в структуре материала бело-розовые полоски. Если вы посмотрите на этот участок в поляризационный микроскоп (который пропускает свет только определенной поляризации[120]), то сможете увидеть удивительную картинку радуги, обусловленную явлением фотоупругости[121]. И вы можете изгибать пластмассу до тех пор, пока она не сломается.

Вы можете заметить неприятный запах при сильном изгибании или переломе пластмассового изделия. Он вызван напряжением в структуре и теплом от воздействующей силы. Запах дают полимеры в структуре пластика. Пластмассовые изделия сами по себе могут иметь неприятный запах. Дорогие пластмассовые куклы часто начинают сильно вонять, потому что старые мочевинно-формальдегидные смолы, использованные в их изготовлении, разлагаются. Поэтому опытные торговцы бижутерией испытывают незнакомые сорта пластмасс, погружая их в горячую воду или быстро натирая, а затем принюхиваясь к запаху. Например, целлулоид на основе нитрата целлюлозы пахнет нафталином. Производимые на основе формальдегидов бакелит и галалит пахнут горелым молоком, а ацетатно-целлюлозные пластики издают запах уксуса.