Интересно об эластичности каучука

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В позапрошлом веке ученые обнаружили, что каучук обладает своеобразной «памятью». Он запоминает механические воздействия. Чем больше времени прошло с момента воздействия механического «раздражителя», тем слабее каучук «помнит» это воздействие. Более того, каучук может «запомнить» несколько разных «событий» (механических воздействий), которые имеют различную продолжительность и произведены в различное время.

Возьмем каучуковый цилиндрик и закрепим его с одного торца. Другой, свободный торец сначала немного закрутим по часовой стрелке и выдержим цилиндрик в таком состоянии некоторое время. Затем быстро скрутим цилиндрик в другом направлении и тотчас его отпустим. Мы увидим, как цилиндрик сначала быстро раскрутится по часовой стрелке; а затем «вспомнив» первое длительное воздействие, начнет медленно раскручиваться против часовой стрелки.

Есть еще одно удивительное свойство каучука, связанное с его эластичностью. Если кусок каучука растянуть или сжать, то на противоположных его концах возникнут электрические заряды. И наоборот, если приложить к каучуковому образцу электрическое поле, он будет деформироваться.

Недавно ученые проделали такой опыт. С помощью вживленных в мозг электродов на пленку были записаны биотоки двигающейся обезьяны. Когда эту пленку «проиграли» и электрические импульсы попали через электроды снова в мозг, обезьяна проделала точно такие же движения. Вы, спросите при чем же тут каучук? Дело в том, что мышцы животных построены из полимера — белка. А природа сокращения мышц такая же, как и природа эластичности каучука. И, может быть, эти два явления — деформация каучука под действием электрического поля и сокращение мышц под действием биотоков — имеют между собой более глубокую связь, нежели простая аналогия.

КАУЧУК ВМЕСТО ПАРА

Каучуковая память и некоторое сходство каучука с мышцами животных окружали эластичность ореолом таинственности. Только в начале сороковых годов загадки эластичности постепенно начали проясняться.

За первую треть прошлого века накопилось много экспериментальных данных, которые надо было как-то обобщить и объяснить. Прежде всего, исследователей поражал тот факт, что с увеличением температуры кусок каучука все труднее становится растянуть до нужного размера. У других твердых материалов, таких, как дерево или железо, подобного явления не было обнаружено.

Правда, таким же образом ведет себя и газ, заключенный в цилиндр с поршнем. Ведь с увеличением температуры газ становится все труднее сжать до определенного объема. Получалось, что каучук внешне похож на обычные твердые тела, но вместе с тем обладает свойствами газа!

Но раз так, значит, можно построить двигатель, где роль пара, то есть рабочего тела, исполнял бы каучук. Ученые построили такую «каучуковую машину». Рабочим телом в ней служила полоска каучука. При нагревании полоска сжималась, совершая определенную работу, Охлаждаясь, полоска вновь растягивалась до первоначального размера, цикл замыкался. Конечно, такая машина не могла найти промышленного применения ввиду ее очень низкого кпд. Но кпд опыта оказался высоким: ученые наконец поверили в газообразные свойства каучука.

ИГРА В КОСТИ И ЭЛАСТИЧНОСТЬ

Молекула натурального каучука состоит из нескольких тысяч изопреновых звеньев, соединенных друг с другом. Звенья могут вращаться только вокруг одинарных связей. Предположим, нам удалось наблюдать поведение такой отдельной молекулы, подобно тому, как мы часто наблюдаем поведение пылинок в солнечном луче. Нашим глазам предстанет любопытное зрелище. Звенья молекулы, подобно пылинкам, находятся в непрерывном движении. Но их движения ограничены, они вращаются, как на шарнирах, вокруг одинарных связей. И движение всей молекулы напоминает странный танец — она непрерывно изгибается.

Но какую же все-таки форму имеет молекула каучука? На этот вопрос ответил английский ученый Трелоар. Сделал он это весьма остроумным способом. Трелоар взял гибкую проволоку и сконструировал модель молекулы каучука, состоящей из 1000 звеньев. Направление каждого звена в пространстве может быть самым произвольным, но угол между двумя соседними звеньями при их вращении остается одинаковым — 109,5°.

Для определения случайного направления каждого звена Трелоар воспользовался кубиком для игры в кости. На каждой грани кубика нанесены метки от одной до шести, что соответствует числу возможных направлений в пространстве. Бросая кубик, Трелоар определял одно из возможных случайных направлений звеньев молекулы каучука, Так, постепенно сгибая проволоку, ученый получил «мгновенную фотографию» молекулы каучука.

Что интересно; «хвост» и «голова» молекулы каучука располагаются рядом. Это наиболее вероятная конфигурация, или, как принято говорить, конформация молекулы каучука в ее свободном, ненапряженном состоянии.

ЖЕЛЕЗО И КАУЧУК

Представим, что нам удалось взять концы одной молекулы каучука и раздвинуть их. Для этого надо приложить определенное усилие. Оно связано с тем, что молекула в результате вращения ее звеньев стремится свернуться. Но это усилие не так уж велико. Чтобы раздвинуть атомы кристаллической решетки железа, надо затратить усилие гораздо большее — в кристаллической решетке очень велика энергия взаимодействия между атомами. Поэтому растянуть каучук значительно легче, чем металл. Более того, связи между атомами в кристаллической решетке твердого тела действуют лишь на небольших расстояниях. При большом растяжении металла нарушается его целостность — он разрушается. Каучук же можно растянуть очень сильно, так как при этом лишь раздвигаются концы его молекул. Растяжимость каучуковой молекулы тем больше, чем больше ее длинна, то есть чем выше ее молекулярный вес.

ПОЧЕМУ ИЗ ДЕРЕВА НЕЛЬЗЯ СДЕЛАТЬ ШИНУ?

Мы только что говорили, что сильно растягиваться могут лишь те вещества, которые состоят из длинных цепных молекул, иными словами, полимеры. Но дерево также состоит в основном из длинных молекул целлюлозы. Тем не менее, мы знаем, что дерево не может заменить каучук. В чем здесь дело?

Здесь липший раз подтверждается закон о переходе количества в качество. Когда мы оперируем с одной молекулой полимера, мы не учитываем влияния ее соседей. Но в реальных условиях мы всегда имеем дело с куском каучука, состоящим из многих миллионов молекул. Они взаимодействуют друг с другом. Это приводит к тому, что вращение звеньев несколько затруднено. Наконец можно представить себе такой случай, когда сильное межмолекулярное взаимодействие полностью исключает вращение отдельных звеньев молекулы полимера. Тогда молекула полимера будет жесткой и неэластичной. Именно поэтому дерево и неэластично. Длинные молекулы целлюлозы слишком сильно связаны между собой, у них слишком много поперечных связей.

ШИНА, НА КОТОРОЙ ДАЛЕКО НЕ УЕДЕШЬ

Потеря эластичности, которая происходит при сшивании полимерных молекул, не всегда вредна. Этим широко пользуются в резиновой промышленности. Если бы мы сделали шину из необработанного каучука, у которого молекулы совсем не связаны друг с другом, мы на ней далеко бы не уехали. При растягивании куска каучука его молекулы будут не только распрямляться, но и скользить друг относительно друга. Это приведет к тому, что шина очень скоро потеряет свою форму и выйдет из строя.

Чтобы этого не происходило, в каучук добавляют специальные вещества — так называемые вулканизующие агенты. Они сшивают друг с другом соседние молекулы, образуется единая трехмерная сетка. Но не очень густая. Она предотвращает скольжение молекул друг относительно друга и в то же время не препятствует их свободному изгибанию. Такой вулканизованный каучук называют резиной.

ОТ ТЕОРИИ — К ПРАКТИКЕ

Практическая ценность кинетической теории эластичности состоит в том, что она позволяет объяснить и предсказать поведение вулканизованного каучука под влиянием различных воздействий — температурных и механических.

Мы уже говорили, что при вулканизации каучука его молекулы «сшиваются», образуя пространственную трехмерную сетку. Очень важно знать, какая образовалась сетка — густая или редкая. Как это сделать? Ведь увидеть и подсчитать химические связи, образующие сетку, невозможно даже с помощью самых мощных электронных микроскопов. Оказывается, густоту вулканизационной сетки можно определить, используя выводы и уравнения кинетической теории эластичности, Такой метод чрезвычайно изящен и настолько прост, что при желании его можно воспроизвести дома. Для этого необходимо лишь с помощью определенного груза растянуть подвешенный образец и после некоторой выдержки замерить его деформацию. Чем гуще вулканизационная сетка, тем меньше деформируется образец при нагрузке. Если вулканизационная сетка полностью отсутствует, то образец будет деформироваться безгранично, то есть будет течь. Наконец, сетка может быть настолько густой, что образец совершенно не будет деформироваться, — в этом случае мы имеем дело с эбонитом.

Совсем недавно кинетическая теория эластичности получила совершенно неожиданное применение. Известно, что в некоторых видах твердого ракетного топлива используют каучукоподобные полимеры. Стартующая ракета, а вместе с ней и топливо испытывают огромные перегрузки. Поэтому необходимо, чтобы твердое топливо обладало определенной прочностью. Американские ученые создали теорию, описывающую поведение каучукового связующего ракетного топлива при различных температурах и нагрузках.

В нашей статье мы попытались просто рассказать о сложном явлении — эластичности полимеров. То, о чем мы говорили, — всего лишь эскиз, карандашный набросок большой и сложной картины. Наука об эластичности, как и всякая наука, непрерывно развивается
и обогащается новыми данными.

Автор: Пильменштейн.