Книга Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Через край

Пластмассы в какой-то мере упруги. Но иногда подобные материалы теряют это свойство – либо неожиданно, либо постепенно. Если вы растянете резиноподобный материал слишком сильно, вы можете превысить уровень его упругости. Он будет и дальше растягиваться, но уже не вернется в изначальную форму.

Даже металлы отчасти упруги. Иначе езда на машине приводила бы к быстрой деформации ее корпуса, двигателя и всех соединений, которых в ней множество. Резиновые шины автомобиля и металлические амортизаторы поглощают много энергии, но вибрация по-прежнему остается для него серьезной проблемой – хоть и не фатальной[122]. Стиральные машины не распадаются на куски, потому что большинство их металлических деталей микроскопически растягиваются и сжимаются, своей упругостью компенсируя действующие на устройство силы. Если слегка ударить по столу камертоном, он издаст звук «до» средней октавы, потому что его концы эластично вибрируют с так называемой резонансной частотой, которая составляет несколько сот колебаний в секунду. Но вы не можете воздействовать на металл слишком сильно и не вызвать его пластическую деформацию (долговременное изменение формы).

Сталь растягивается примерно в 200 000 меньше, чем резина, которую вы легко можете растянуть в несколько раз[123]. Но в этом деле и резина – не чемпион. В соревновании на упругость ее побеждают гидрогели. Их можно растягивать в 20 раз[124]. Если бы щеки джазового трубача-виртуоза Диззи Гиллеспи были сделаны из гидрогеля, то каждую он смог бы растянуть до размеров своего желудка. Но, возможно, и это не предел. В 1970 году профессор Джеймс Гордон в своей книге «Конструкции», одной из лучших книг о природных материалах, составил таблицу самых прочных и самых эластичных материалов. Среди последних первое место заняла «рубашка» эмбриона беременной саранчи, которая оказалась в 35 раз растяжимей резины[125].

Эластичные материалы теряют упругость при превышении пределов их гибкости или растяжимости и под влиянием времени. Со временем снижается упругость резинового жгута, пусть и не очень значительно. Попытайтесь поносить резинку на запястье два-три месяца, и вы всё увидите сами. Сначала она будет держаться на руке плотно, затем растянется и обвиснет, а в итоге порвется. Почему? Каждый раз, когда вы подтягиваете жгутик вверх или опускаете вниз, вы раздвигаете молекулы резины, не давая им возможность занять первоначальное положение. Если вы несколько раз потрете резину в ладонях и приложите ее к губам, то почувствуете, что она стала теплее. Это тепло представляет собой энергию, которую вы уже никогда в резину не вернете. Чтобы вызвать долговременную деформацию вулканизированной резины (той, что используется в автошинах и производится смешением каучука с серой), необходимо гораздо больше циклов воздействия и энергии, чем для того, чтобы деформировать, скажем, воздушный шарик или резинку на руке[126].

После нескольких сот подтягиваний и отпусканий резинки молекулы в ней уже не возвращаются в первоначальное положение. Она по-прежнему растягивается, но уже менее охотно принимает первоначальную форму. То же относится и к другим растяжимым материалам: от эластичных компонентов женского бюстгальтера до пружин кровати. Более того, этот принцип действует и в отношении вашей кожи. Многомиллиардный рынок средств от морщин у женщин основан на простом и неизбежном научном факте: все эластичные материалы, включая человеческую кожу, со временем свою эластичность теряют. С 10 до 70 лет кожа утрачивает примерно треть своей эластичности. Главным образом это происходит к возрасту 40 лет. Тому есть и механические причины (например, появляются морщины от смеха и проявлений других эмоций), но сильнее всего на кожу воздействует солнечный свет. Кожа на щеках теряет эластичность вдвое быстрее, чем на закрытых участках тела, скажем предплечьях[127].

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[128]. 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.