Угольный пласт разрушается под напором стремительной водяной струи. Текучая вода совершает такие же действия, что и сверхтвердые зубы врубовой машины. Этот и подобные ему примеры показывают, что жидкости в определенных условиях могут вести себя подобно твердым телам. Понять и объяснить это явление оказалось делом весьма нелегким.
Ferrum aqua crudit - «Вода железо гложет», - говорили еще древние римляне. Способность жидкостей разрушать твердые тела известна с давних времен и представленный снимок металлических образцов, поврежденных ударами воды, вряд ли кого удивит. И все-таки трудно представить, каким образом вода, обладающая чрезвычайной текучестью, может создать такие повреждения, похожие на следы пуль. Для того, чтобы сделать такой отпечаток хотя бы на алюминиевой пластине с помощью стального шарика, необходимо, чтобы шарик при вдавливании выдержал напряжение не менее 2 500 кг/см2. А эти следы оставлены водой - следовательно, вода при ее внедрении в металл, какое-то время вела себя подобно твердому шарику, не растекаясь.
Как же это стало возможным?
Когда-то в науке о веществе господствовало мнение о структурной близости газов и жидкостей, якобы состоящих из совершенно неупорядоченных частиц. Напротив, чрезвычайно трудно было заподозрить, какое-либо родство между жидкостями и твердыми телами. Уж очень различны их механические свойства! Взять хотя бы их поведение под действием скалывающих напряжений твердые тела упруго сопротивляются сдвигу, жидкости текут.
Однако первые рентгеноструктурные исследования жидкостей показали, что они вовсе не бесструктурны. В кругу достаточно близких частиц жидкости господствует определенный порядок, подобный тому, который царит в кристаллах. Правда, в жидкостях такой порядок не соблюдается на сколь угодно больших расстояниях. Но, и этого достаточно, чтобы предположить сходство жидкостей и твердых тел в некоторых свойствах - например, предположить, что при скалывающих напряжениях жидкостям присуща не только текучесть, но, и некоторая упругость по отношению к сдвигу.
Такого рода теорию предложил еще в 1867 году великий английский физик Джемс Клерк Максвелл. Он обратил внимание на то, что вещества типа смолы можно относить, и к твердым телам, и к жидкостям. Смола, "оказывается, может по-разному реагировать на скалывающие напряжения-то, как твердое тело, то, как жидкость. Если напряжение прикладывается медленно либо действует продолжительное время, то смола течет, то есть ведет себя, как обыкновенная вязкая жидкость. Когда приложенное напряжение действует весьма быстро, смола вплоть до разрушения испытывает деформацию, пропорциональную напряжению. Максвелл предложил простую и наглядную модель двойственного поведения смолы (см. рисунок внизу). Он соединил пружину и цилиндр, заполненный жидкостью, внутри которого перемещается поршень. Пружина - идеальный упругий эле-' мент, цилиндр с поршнем - амортизатор, идеальный вязкий элемент, а их комбинация - так называемое тело Максвелла - отлично демонстрирует вязкоупругий характер жидкостей и родственных им веществ типа смолы, которые ныне принято называть переохлажденными жидкостями.
Тело Максвелла поможет нам выяснить, как ведет себя жидкость при ударе. Совершенно ясно, что в момент удара пружина резко сожмется, принимая на себя ударный импульс и лишь затем передаст его амортизатору, побуждая к движению поршень. Модель подсказывает, что и жидкость в момент удара вначале упруго сожмется и только затем начнет растекаться, причем начало ударного воздействия на жидкость и начало ее растекания будут разделены, каким-то отрезком времени.
Скоростная киносъемка подтверждает этот вывод. В период упругой деформации жидкость ведет себя подобно твердому телу и в зависимости от скорости удара может пластически деформироваться или хрупко разрушаться.
Объектом киносъемки была струя жидкости, по которой стреляли из ружья. Струя вытекала из специального баллона под давлением сжатого воздуха. Пуля представляла собой свинцовый цилиндрик диаметром 15 мм, и весом около 20 г. В качестве жидкости использовалась смесь канифоли и трансформаторного масла с вязкостью около 9X103 пауз. Скорость пули варьировалась в пределах 11 - 105 м/сек. Поведение струи менялось от опыта к опыту по мере нарастания скорости пули.
На представленных ниже снимках пуля (черный прямоугольник) ударяет по струе (черная полоса) сверху. Кадры следуют слева направо.
Итак, что же выяснилось? Исследованная жидкость при ударе ведет себя, как стеклообразное тело. Можно полагать, что жидкости иного строения при ударе будут разрушаться по-иному. Для примера на последних снимках показана пластическая деформация струи водно-мучного раствора при скорости удара 26, и 105 м/сек. Здесь видно, что жидкость разрушается, подобно древесине, расщепляясь на отдельные волокна.
Цепочки кинокадров подробно рассказывают нам, каким образом жидкость при ударе может повреждать самые прочные металлы, пробивать танковую броню и разрушать угольный пласт. Жидкость словно отвердевает при ударе. Однако длительность того периода, когда жидкость сохраняет свойства твердого тела - длительность так называемого релаксационного периода, - измеряется миллионными долями секунды. Следующий за этим период растекания длится в сотни раз дольше. Оттого-то период релаксации так трудно обнаружить на опыте.
Всякий раз там, где происходит ударное взаимодействие твердого тела и жидкости^, последняя, приобретая на мгновение свойства твердого тела, пускает в ход это грозное оружие.
Задача состоит в том, чтобы научиться управлять этим оружием, например, увеличивать период релаксации. Этому способствуют присадки различных солей, жидких полимеров, наложение магнитного и электрического полей, и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
Китайгородский А. И. «Порядок и беспорядок в мире атомов», изд. 4-е, доп.. М., «Наука», 1966 г.
Козырев С- П., Шальнев К. К. «Релаксационная гипотеза механизма соударения жидкости и твердого тела» «Доклады Академии наук СССР», т. 192. 1970 г.. № 3.
Корнфельд М. А. «Упругость и прочность жидкостей». М., Гостехнздат. 1951 г.
Лодж А. «Эластичные жидкости», пер. с англ., М., «Наука», 1969 г.
Михайлов И. Г.. Соловьев В. А., Сверников Ю. П. «Основы молекулярной акустики». М., «Наука», 1964 г.
ГАЗ, ЖИДКОСТЬ, КРИСТАЛЛ
Мы знаем, что вещество может находиться в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. В чем же физическая суть различий между этими состояниями? Суть кроется в характере взаимоотношений между молекулами вещества.
Если две молекулы одного и того же вещества сблизить на достаточно малое расстояние, они начнут притягиваться друг к другу.
Именно этим объясняется, например, прочность кристаллических тел или поверхностное натяжение жидкости.
Итак, силы сцепления, как бы привязывают молекулы друг к другу. Тепловое движение старается разорвать эти узы. Результат противоборства зависит от соотношения сил, а точнее - от соотношения энергий энергии связи молекул и энергии их теплового движения.
Если вторая значительно превосходит первую, вещество находится в газообразном состоянии. Каждая молекула вещества движется независимо от других. Вот почему при достаточно сильном нагреве все вещества становятся газообразными.
Если же, наоборот, энергия связи значительно превосходит энергию теплового движения, вещество находится в кристаллическом состоянии. Молекулы расставлены по узлам кристаллической решетки и могут лишь слегка колебаться около них. Порядок, в котором расставлены и сориентированы молекулы, повторяется во всем объеме кристалла. Недаром его называют дальним порядком.
Ну, а если энергия связи соизмерима с энергией теплового движения? Это, и будет отличительным признаком жидкого состояния. Каждая молекула некоторое время находится в упорядоченном строю из нескольких своих ближайших соседок. Но тепловые колебания ее настолько сильны, что позволяют ей внезапно разорвать связи с окружающими молекулами, вырваться из их окружения и занять место в кругу новых соседок. Эти скачки совершаются совершенно хаотически, новое место молекулы никак не предопределено прежним, также нет никакого соответствия между направлениями, в которых выстроены и сориентированы новые и старые соседи молекулы. Говорят, что в жидкости наблюдается ближний порядок, но нет дальнего.
(Заметим, что в некоторых жидкостях существует дальний порядок в ориентации молекул. Такие жидкости называются жидкими кристаллами.)
Правда, если на весь объем жидкости действует, какая-то сила, то скачки молекул совершаются, как правило, в направлении этой силы - жидкость течет.
А как быстро и часто совершаются такие скачки? Молекулы наиболее текучих жидкостей совершают за одну секунду сотни миллиардов таких скачков.
Чем более вязка жидкость, тем реже такие скачки. Вязкость увеличивается, когда жидкость охлаждают. В своем росте вязкость некоторых жидкостей может в миллиарды миллиардов раз превысить вязкость воды. Таково, например, стекло. По своей структуре это типичная жидкость - молекулы стекла располагаются совершенно беспорядочно. Но чрезмерная вязкость делает его похожим на твердые кристаллические тела. И чтобы при всем внешнем сходстве подчеркнуть существенную разницу между кристаллом и бесструктурными веществами вроде стекла, битума, природных смол, и т. п., их называют аморфными веществами или переохлажденными жидкостями.
