1. Этот сайт использует файлы cookie. Продолжая пользоваться данным сайтом, Вы соглашаетесь на использование нами Ваших файлов cookie. Узнать больше.

Физики объяснили «скачки» при отрывании скотча

Тема в разделе "Новости", создана пользователем beautyl, 19 ноя 2019.


Поделиться в соц сетях

  1. beautyl

    beautyl Guest

    Французские физики разработали качественную модель, которая объясняет микроскопические «скачки» клейкой ленты, отматываемой с рулона. Для этого ученые записывали на высокоскоростную камеру, как отклеиваются разные виды скотча, натянутые под различными углами к поверхности.

    В результате исследователи выяснили, что амплитуда «скачков» пропорциональна кубическому корню их периода, а скорость изгибной волны, пробегающей по границе скотча, обратно пропорциональна жесткости ленты. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложенна сайте arXiv.org.

    Когда вы в следующий раз будете отматывать от рулона скотч, обратите внимание, что этот процесс происходит неравномерно: бо́льшую часть времени липкая лента отклеивается неохотно, но в какие-то моменты резко «прыгает» и отматывается сравнительно большой участок. Физики называют этот процесс макроскопическим проскальзыванием. Интересно, что он происходит даже тогда, когда лента будто бы отклеивается равномерно: в 2010 году группа ученых под руководством Такехару Это (Takeharu Etoh) засняла процесс отклеивания скотча на высокоскоростную камеру и обнаружила, что каждый макроскопический «скачок» разбивается на более мелкие скачки длиной порядка ста микрометров. Более того, линия, которая разделяет свободную и приклеенную части ленты, оказалась не прямой. Вместо этого перпендикулярно ленте бежит сверхзвуковая волна, вдоль которой отклеиваются новые кусочки.

    В 2015 году группа ученых под руководством Стефана Сантуччи (Stéphane Santucci) попыталась объяснить этот процесс. Для этого исследователи фиксировали нижний слой скотча, наклеивали на него второй слой и отрывали под прямым углом с помощью моторчика. Процесс отрывания ученые записывали на камеру с разрешением 10 микрометров на пиксель и частотой 525 тысяч кадров в секунду. В результате физики обнаружили, что циклы отслаивания определяются энергией упругих деформаций, которая периодически накапливается и высвобождается около линии отрыва. К сожалению, исследователи так и не смогли разработать модель этого процесса и установить, почему он оказывается нестабильным.

    В новой статье физики наконец разрешили эту загадку. Так же, как и в прошлый раз, ученые работали со скотчем 3M Scotch 600 — прозрачной полиолефиновой лентой, покрытой тонким слоем синтетического акрилового клея. Тем не менее, на этот раз исследователи дополнительно пропитывали скотч жестким клеем, что позволяло изменять модуль изгиба ленты почти в два раза. Кроме того, в этом эксперименте физики варьировали угол отрыва, длину ленты и скорость отклеивания. Скорость отматывания составляла 1,8 метра в секунду. Все происходящие процессы ученые записывали на камеру с разрешением 10 микрометров на пиксель и частотой 300 тысяч кадров в секунду.


    В результате ученые обнаружили, что амплитуда «скачков» зависит от угла отрыва и жесткости ленты — однако во всех этих случаях она пропорциональна кубическому корню из периода «скачков» (который неявно зависит от параметров скотча). Во время «скачка» по границе свободной и приклеенной части пробегает изгибная волна со скоростью 650–900 метров в секунду. Таким образом, промежуток времени, в течение которого происходит отрыв, длится менее одной микросекунды, тогда как период относительного покоя достигает ста микросекунд.

    [​IMG]Зависимость длины свободного конца ленты от времени. Во врезе приведена характерное изображение, снимаемое высокоскоростной камерой / V. De Zotti et al. / ENS de Lyon

    [​IMG]Зависимость амплитуды «скачков» от их периода для разных углов отрыва ленты (пунктиром отмечена теоретическая зависимость) / V. De Zotti et al. / ENS de Lyon

    [​IMG]Зависимость амплитуды «скачков» от их периода для разных модулей изгиба ленты (пунктиром отмечена теоретическая зависимость) / V. De Zotti et al. / ENS de Lyon

    Чтобы объяснить эту зависимость, физики разработали качественную теоретическую модель, которая связывает энергию упругих деформаций ленты и липкого слоя, кинетическую энергию системы и эффективную энергию разрушения клея. Грубо говоря, в этой модели лента приближается пружинкой, которая накапливает энергию, пока не превысит порог, достаточный для разрушения клея, а затем резко ее высвобождает. Поскольку энергия упругих деформаций ленты зависит от жесткости и угла отрыва (то есть радиуса кривизны), эти параметры влияют на амплитуду «скачков» и скорость волны, пробегающей по границе свободной поверхности в момент отрыва. Несмотря на качественный характер модели, она хорошо согласуется с экспериментальными данными.

    Далеко не всегда физики занимаются «серьезными» исследованиями, связанными с элементарными частицами, квантовыми компьютерами или необычными материалами. Иногда их работы носят более прикладной характер, а объекты исследований встречаются в повседневной жизни.

    Например, в феврале 2016 года французские ученые разработали модель, которая описывает процесс выдувания мыльных пузырей, и связали объем пузырей со скоростью и диаметром потока воздуха, продувающего каркас. В декабре 2017 ученые США, Швеции и Южной Кореи подробно изучили расслоение молока и кофе в латте. В том же месяце физики из Нидерландов рассчитали оптимальные условия для трюка с подбрасыванием бутылки, частично наполненной водой. А в августе 2018 исследователи из Франции и США научились ломать спагетти пополам (обычно макаронины ломаются на три или больше частей).



    Сообщение Физики объяснили «скачки» при отрывании скотча появились сначала на Интернет портал.
     

Поделиться этой страницей