Физики из Датского технического университета и Университета Дрекселя изучили процесс возникновения трещин в полимерных жидкостях. Оказалось, что, в отличие от хрупких твердых тел, деформация, при которой в объеме жидкости возникает трещина, почти не меняется от опыта к опыту. Кроме того, в жидкостях возможен одновременный рост нескольких трещин, невозможный в твердых телах. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Авторы изучали поведение вязкоупругого раствора полистирола при быстрых деформациях. Для этого субстанцию помещали между двумя держателями, один из которых затем резко поднимали. Температура полимера при этом составляла 120 градусов Цельсия — на 30 градусов выше температуры перехода кристалл-стекло. Вещество при этом вытягивалось в колонны, его поведение ученые фиксировали с помощью высокоскоростной камеры. 

Зависимость напряжений в образцах растворов полимеров от деформации. Во врезе — снимки экспериментальной установки. Qian Huang et al. / PRL, 2016

Оказалось, что разрыв в колоннах наступал при значительных деформациях — более 250 процентов. Другим необычным результатом стала воспроизводимость критических параметров образования трещин. В твердых телах начало трещинообразования связано с изначальным наличием в материале микротрещин: разрыв возникает там, где есть «слабое звено». Из-за этого и пороговая нагрузка, требуемая для разрыва твердого тела, меняется с параметрами «слабого звена» в каждом конкретном образце. 

Тот факт, что в жидкости от образца к образцу не меняются критические деформации, говорит о другом механизме начала роста трещины. К тому же из-за поверхностного натяжения микротрещины просто не могут возникать в жидкости. Авторы предполагают, что источником роста трещин являются неоднородности нагрева вещества.

Кадры экспериментов по росту трещин в колонне жидкости. Qian Huang et al. / PRL, 2016

Ученые заметили и другое важное указание на то, что механизм «слабого звена» не работает в жидкостях. В некоторых экспериментах физики фиксировали образование и рост сразу двух трещин, находящихся в разных точках колонны. В твердых телах это почти невозможно. Интересно, что форма образующихся трещин в жидких образцах оказалась близкой к форме обычных трещин.

По словам ученых, исследование показывает, как временной масштаб (скорость растяжения, в данном случае) может влиять на поведение материала. Интересной задачей является поиск количественной связи между свойствами материала (вязкостью и упругостью) и энергией образования трещин. Построив такую взаимосвязь, физики получат новый способ управления свойствами материалов. 

Образование трещин в твердых телах описывается классической теорией Гриффитса. Она количественно связывает между собой упругую энергию, запасенную в деформации материала, и размеры образующихся в результате трещин. Один из ключевых параметров в теории — энергия образования новых поверхностей внутри тела, границ трещины.

Ранее французские физики изучали образование трещин при замерзании капель воды и при взрыве воздушных шариков. Ученые выделили несколько сценариев развития трещин в каждом случае. Так, трещины во льду могут образовываться либо одна за другой, либо одновременно из единого центра.

Автор: Владимир Королёв