Реферати

Реферат: Дивні властивості пакувальної плівки

Задачі керування підприємством. Процес і система керування підприємством. Характеристика основних цілей і задач менеджменту. Вивчення принципів формалізації процесу керування і методів рішення сучасних задач керування. Аналіз ідей П. Ф. Друкера - засновника емпіричної школи.

Організація праці при багатоверстатній роботі. Форми поділу праці на підприємстві: функціональна; технологічна; професійна; кваліфікаційна. Установлення необхідного числа верстатів в умовах одноверстатного обслуговування. Аналіз можливості організації багатоверстатного обслуговування.

Сенс конфлікту Базарова і братів Кирсанових. Одна з найважливіших рис творчості Івана Сергійовича Тургенева - бажання розібратися у всьому, що відбувається в країні. Яскравим твором, що відобразив цілий етап в розвитку Росії другої половини XIX століття, з'явився роман "Батьки і діти".

Зовнішнє середовище організації і її вплив на ефективність керування. Теоретичні аспекти керування зовнішнім середовищем організації. Поняття й основні елементи прямого впливу зовнішнього середовища на організацію. Социокультурние фактори, міжнародне оточення. Керування організацією в умовах невизначеності зовнішнього середовища.

Використання ігор і ігрових прийомів до роботі з дітьми, що мають фонетико-фонематичне недорозвинення мови. Аналіз підходів до проблеми усунення фонетико-фонематичного недорозвинення мови в дітей старшого дошкільного віку шляхом використання ігор і ігрових прийомів. Організація і методика обстеження стану мови дітей старшого дошкільного віку.

А. Л. Волинський, член-кореспондент РАН, д. х. н., проф., гл. н. з.

Іноді трапляється так, що добре відомі і вивчені предмети і явища раптом відкриваються новими і незвичайними сторонами. Саме це сталося при дослідженні пакувальної полімерної плівки на нашій кафедрі. Здавалося б, що в ній особливого? Це просто пакувальний матеріал, без якого побут сучасної людини абсолютно немислимий: металізовані полімерні плівки (як правило, з тонким алюмінієвим шаром) використовують, наприклад, для упаковки кольорів, продуктів, промислових товарів, застосовують в поліграфії і в багатьох інших областях. Недивно, що такі полімерні матеріали випускаються сьогодні сотнями тисяч тонн.

Цілком естествен і інтерес самих різних фахівців до так поширених в побуті і промисловості об'єктам. Вже багато років видається журнал "Thin Solid FILMs" ( "Тонкі тверді плівки"), де освітлюються наукові і прикладні аспекти проблем, пов'язаних з вивченням і використанням систем, які можна визначити як "тверде покриття на податливій основі".

Дивно, що при всьому тому науковому інтересі, який виявляють дослідники до подібних систем, донедавна нікому не прийшло в голову просто розтягнути пакувальну армовану плівку (вона якраз і являє собою типову систему "тверде покриття на податливій основі") і подивитися, що з цього вийде. А подивитися, як виявилося, є на що: в мікроскоп (скануючий електронний) видно ряди світлих смуг з регулярним хвилястим рельєфом, розділених темними смугами.

Що це за ряди і яким чином вони з'являються?

Розтягуючи полімерну плівку, на яку тверде покриття нанесене тонким шаром, ми розтягуємо одночасно і цей шар. У результаті покриття розпадається на безліч "островів"-фрагментів. Вони-то і "шикуються" рядами, утворюючи своєрідний рельєф. Вражає регулярність мимовільно виникаючого рельєфу і його сувора орієнтація відносно осі розтягнення: його поглиблення і вершини завжди орієнтовані суворо паралельно осі. Висока і міра порядку, що досягається при фрагментації покриття: острови, що утворюються однорідні по розмірах і розташовуються на поверхні податливої підкладки вельми регулярним образом. Іншими словами, на розтягнутій полімерній плівці виникають високоорганизованние періодичні структури. Саме тому деформована пакувальна плівка розсіює світло, як справжня дифракційна гратка.

Чи А завжди виявляються подібні результати розтягнення? Можливо, вони залежать від природи підкладки (полімеру) і покриття? Ми це з'ясували, взявши для експериментів один і той же полімер, але з різним покриттям, і навпаки - одне покриття на різних полімерах.

Мікрофотографії трьох видів розтягнутих плівок, армованих різними металами.

Вісь розтягнення показана стрілкою. Відвів. (зліва направо): в 350 раз, 1100 і 1750.

Ніякої залежності ми не виявили, всякий раз виникали вже знайомі нам структури. Правда, необхідно було дотримувати дві умови:

- товщина покриття повинна бути пренебрежимо малої в порівнянні з товщиною підкладки;

- модуль пружності покриття повинен на декілька порядків перевищувати цей показник для матеріалу підкладки. Саме таким вимогам відповідає пакувальна плівка [1, 2].

Тепер цілком правомочне питання: яким чином при простому розтягненні виникає так регулярна структура? Спробуємо розібратися в механізмі явища, що спостерігається. Братимемо до уваги, що полімерна плівка, що піддається одноосному розтягненню, випробовує одночасно два вигляду деформації - подовження і стиснення в перпендикулярних один одному напрямах. (У цьому легко може пересвідчитися кожний, розтягуючи шматок гумової стрічки.) Отже, тверде покриття на поверхні плівки також розтягується і стискується одночасно. Саме стисненням покриття, як з'ясовується, зумовлене виникнення регулярного микрорельефа. Яка ж фізична суть цього процесу?

Покриття, що являє собою анизодиаметричное тверде тіло (т. е. з дуже різними розмірами в перпендикулярних напрямах), випробовує деформацію одноосного стиснення на поверхні розтягуваної полімерної плівки. Треба сказати, що уперше явища, супроводжуючі одноосное стиснення анизодиаметричних твердих тіл, були розглянуті Л. Ейлером більше за 200 років тому. Він показав, що тіло при досягненні критичного навантаження втрачає стійкість і придбаває форму полуволни (так звана ейлеровская класична втрата стійкості). Подібне легко спостерігати, стискаючи, наприклад, тонку металеву лінійку або лист паперу. Якщо ж анизодиаметричное тверде тіло (в нашому випадку це тонке жорстке покриття) міцно зв'язати з податливою підкладкою (основою), то картина втрати ним стійкість вирішальним образом змінюється. При досягненні критичного стискаючого навантаження тіло не зможе прийняти форму полуволни, оскільки при відхиленні від прямолінійної форми на нього буде діяти з боку підкладки повертаюча сила, пропорційна величині відхилення. Внаслідок такої взаємодії протиборствуючих сил покриття неминуче складеться, подібно доладному метру, і прийме синусоидальную форму з періодом хвилі, рівним l.

Схема втрати стійкості анизодиаметричного тіла у вільному стані (а, б) і на податливій основі (в, г).

Величина періоду хвилі (рельєфу) визначається наступним. Робота деформації при стисненні анизодиаметричного твердого тіла - покриття - зростає із збільшенням числа довершених згинів (із зменшенням періоду рельєфу). Не випадково, що без підкладки таке тіло приймає форму полуволни, т. е. період рельєфу максимальний. Однак податлива, але вельми протяжна підкладка вносить поправки в цей процес. Очевидно, що чим більше період рельєфу, тим, при інших рівних умовах, більше його амплітуда. Полімерна підкладка не залишається байдужою до її збільшення - вона "тече", деформується. Енергетичні витрати всієї системи при цьому прагнуть до мінімізації. Період рельєфу можна знайти з умови мінімуму загального балансу напружень в покритті і підкладці.

Такого роду мінімізація енергії системи у разі пружної каучукової підкладки дає величину періоду рельєфу

l = 4.15h·(E1/Е)1/3, (1)

де h - товщина покриття, E1 і Е - модулі пружності покриття і підкладки відповідно.

Якщо ж підкладка пластична, період рельєфу рівний

l = 2hsy /s, (2)

де sy - межа текучості покриття, s - межа текучості підкладки при розтягненні. Розрахунки для того і іншого випадку експериментально підтверджені. Хороша відповідність теорії і експерименту свідчить про разумности припущень, зроблених відносно механізму виникнення регулярного рельєфу на поверхні пакувальної плівки.

Регулярність фрагментації жорсткої оболонки пов'язана, крім того, з особливостями передачі механічного напруження від податливої основи твердому покриттю через межу розділу. Тут необхідно відмітити, що характер самої фрагментації залежить, зокрема, від того, однорідно або неоднорідно деформується підкладка. Полімерні плівки можуть деформуватися обома шляхами. Хоч деформація підкладки досягається різними способами, регулярність фрагментації твердого покриття виявляється неминучою.

У разі однорідної деформації полімеру-підкладки спочатку, при малих її удлинениях, вирішальний внесок в руйнування покриття вносять поверхневі микродефекти (характерні для будь-якого твердого тіла), які і ініціюють процес в місцях своєї локалізації. Такого роду дефекти розташовуються в покритті хаотично, що і викликає нерегулярність його руйнування: утворяться фрагменти різних розмірів. При подальшому розтягненні підкладки фрагменти залишаються під навантаженням, але напруження в різних частинах кожного з них розподіляються надто нерівномірно: від близького до нульового на кінцях фрагмента до максимального точно в його центрі. Саме тут насамперед напруження досягає межі міцності, і фрагмент ділиться на дві рівні частини. Цей процес можна спостерігати в скануючому електронному мікроскопі. Таке ділення продовжується доти, поки слаба податлива підкладка здатна передавати фрагментам напруження, що перевищує міцність покриття. Коли їх розміри стають дуже малі для передачі підкладкою руйнуючого напруження, ділення закінчується. На поверхні полімерної плівки виникає система з вельми вировненних по розмірах фрагментів покриття.

При неоднорідній деформації полімерної плівки безперервно співіснують її початкова дільниця і деформований фрагмент, що вже перейшла в орієнтований стан (так звана шийка).

Це означає, що одночасно існують також і дві частини покриття: що розпалася на фрагменти на шийці полімеру і ціла, не зруйнована частина, що покриває його початкову дільницю. Події, пов'язані з фрагментацією покриття, розігруються у вузькій зоні, що переміщається, розташованій між орієнтованою і неорієнтованою частинами розтягуваного полімеру. У цій зоні завжди присутній край зруйнованого покриття, напруження в якому, очевидно, близьке нулю. По мірі видалення від краю напруження зростає і швидко досягає межі міцності покриття. Тоді-то і відривається його чергова смуга, причому ширина всіх полосчатих фрагментів виявляється майже однаковою.

Побачивши такому деформацію підкладки з покриття фактично утвориться система майже не відмітних по розмірах найтонших паралельних стрічок, які тягнуться від одного краю розтягуваного зразка до іншого. Виникнення так унікальної структури, як бачимо, зумовлене особливістю неоднорідної деформації полімерної плівки в системі "тверде покриття на податливій основі".

Мікрофотографії зразків плівки полиетилентерефталата з платиновим покриттям (4 нм).

Зліва - зразок, розтягнутий на 100% при 100°З (швидкість 0.1 мм/міна);

Праворуч - той же зразок після додаткового розтягнення при більш високому напруженні.

Відвів. в 2500 раз.

Мікрофотографії зразків плівки різного складу, але з одним і тим же покриттям,

і одного складу, але з різним покриттям після неоднорідної і однорідної деформації полімеру-підкладки.

Відвів. (зліва направо): в 2000 раз, 800 і 1200.

Важливо відмітити, що при неоднорідній деформації підкладки наявність микродефектов на поверхні покриття фактично не впливає на процес його фрагментації. Це зумовлене тим, що поверхня полімеру, що не перейшов в орієнтований стан, практично не деформована - величина пружної деформації не перевищує трохи відсотків.

Незалежно від того, пружно або не пружно деформується податлива підкладка і (або) жорстке покриття, середній розмір (L) фрагмента руйнування в напрямі осі розтягнення рівний

L = 2hs*/s0, (3)

де h - товщина покриття, s* - межа його міцності і s0 - напруження в підкладці.

Ось такі цікаві наслідки простого розтягнення армованої пакувальної плівки виявилися при вивченні. Але невже тільки в ній можуть відбуватися описані тут явища? Важко представити, що це так. Думаю, знайдеться немало фізичних об'єктів, побудованих за принципом "тверде покриття на податливій основі". Не виключено, що деформація (стиснення і розтягнення) пакувальної плівки моделює багато які процеси в навколишньому нас світі.

Сітки тріщин на різних фізичних об'єктах.

Зверху вниз:

полімерна плівка з тонким металевим покриттям, піддана площинному розтягненню;

тріщини на висихаючому вологому грунті

і на остигаючій вулканічній бомбі.

У природі дуже часто виникають ситуації, коли подібні системи зазнають різного роду деформаціям. Як наслідок, виникають численні регулярні структури. Втрата стійкості в умовах площинного стиснення приводить до появи дивно красивих рельєфів, таких, наприклад, які утворяться при висиханні краплини фарби.

Системи "тверде покриття на податливій основі" зазнають і деформації площинного розтягнення. Його результати бачив кожний, хто помічав на грунті сухі, в тріщинах, кірки. Коли висихає волога земля, що утворилася на її поверхні тверда кірка прагне стиснутися, але цьому перешкоджає лежача під нею м'яка, майже нестискувана основа - шар бруду. У результаті кірка виявляється в умовах площинного розтягнення. За рахунок випаровування рідини з грунту розтягуючі напруги посилюються, і з'являється сітка тріщин на жорсткій поверхні. Утворяться вони і розповсюджуються по суворих законах, властивих все тим же системам "тверде покриття на податливій основі".

Столбчатие структури Мостової гігантів в Північній Ірландії.

Аналогічні картини виникають і при охолодженні магматических розплавів, так званих вулканічних бомб. При повільному охолодженні розплаву межа між жорстким шаром і ще не захололою рідкою серцевиною рухається вглиб. Тверда фаза, безперервно співіснуюча з рідкою, постійно зазнає деформації площинного розтягнення. Коли цей процес уповільнений, фрагментація відбувається настільки регулярно, що здається справою людських рук. Вважають, що саме цей механізм лежить в основі виникнення дивного природного об'єкта - базальтових пальців. Одна з таких освіт знаходиться в Північній Ірландії і відома як Бруківка гігантів.

А хіба не схожа сама Земля на типову систему "тверде покриття на податливій основі"? По сучасних уявленнях, відносно тонка (5-50 км) тверда зовнішня оболонка нашої планети (литосфера) покоїться на відносно податливій і товстій (2900 км) оболонці - верхньої мантії (повна аналогія з пакувальними плівками). Її в'язка, текуча речовина знаходиться в стані нестійкості через вертикальний тепловий градієнт [3]. Вважають, що саме тому в мантії генеруються гігантські конвекционние потоки (осередки). За рахунок конвекції виникає механічне напруження в земній корі, яке відповідальне за такі геодинамические процеси, як дрейф континентів, формування рельєфу, відкриття і закриття океанів, виверження вулканів, землетруси і т. д.

Як бачимо, будова верхніх оболонок нашої Землі повністю відповідає структурі систем "тверде покриття на податливій основі". Недивно тому, що рельєф приблизно третини океанічного дна (т. е. колосальної по розмірах дільниці) разюче схожий на рельєф, що утворюється при розтягненні армованих полімерних плівок.

Якщо розглядати земну кору як єдине тверде тіло (незважаючи на його гігантські розміри, сферичну форму, непостійний хімічний склад, градієнт температури, дефектность і безліч інших ускладнюючих чинників), здатне сприймати і передавати механічне напруження на величезні відстані, то, застосувавши формули 1-3, можна отримати важливу кількісну інформацію. Ці формули дозволяють зв'язати прямо параметри рельєфу, що вимірюються на картах з внутрішніми властивостями системи, такими як міцність, межа текучості або модуль пружності. Визначити такі параметри для так грандіозної системи, як земна кора, жодним іншим способом в принципі неможливо *. Ясно, що міцність або модуль шматка базальта, яка можна легко виміряти в лабораторії, абсолютно не рівні відповідним характеристикам такого унікального тіла, як земна кора загалом.

* До теперішнього часу автором використані рівняння (1-3) для розрахунків напруження міцності океанічної кори. - Прімеч. ред.

Багато чим, мабуть, покажеться фантастичної ідея спорідненості процесів, зухвалих регулярність руйнування твердого покриття на податливій полімерній підкладці, і подій, що відбувається в земній корі. Але така аналогія, упевнений, все ж цілком правомірна. Мало того, розглянутий підхід можна використати в планетології для грубої оцінки структури космічних об'єктів. Так, по аналізу особливостей рельєфу поверхні Венери [А HREF="#4" > 4], отриманому за допомогою радарної зйомки з її штучного супутника, з використанням такого підходу вже зроблені деякі висновки відносно минулого цієї планети.

Два вельми схожих рельєфу: океанічного дна в районі Східно-Тихоокеанського підняття і каучуку, що утворюється на розтягнутій плівці із золотим покриттям.

Немає нічого дивного в тому, що часто одні і ті ж фізичні закони діють в самих різноманітних системах. У нашому випадку діапазон родинних явищ тягнеться від мікроскопічного рівня (товщина покриттів на пакувальних полімерних матеріалах складає від одиниці до десятків нанометров) до макроскопічного і навіть планетарного. Завдяки спільності законів можна отримувати інформацію про явища і процеси (наприклад, утворенні рельєфу на поверхні планет), що відбуваються в навколишньому світі, звернувшись до лабораторних моделей і взявши за аналог простій і добре вивчений фізичний об'єкт. Скажемо, шматок пакувальної плівки, якщо цікавляча нас система аналогічна тією, що названа "твердим покриттям на податливій основі".

Список літератури

1. Волинский А. Л., Баженов С. Л, Бакеєв Н. Ф. // Зростав. хим. журн. (ЖВХО ім. Д. І. Менделеєва). 1998. Т.42. №3. С.57-68.

2. Волинский А. Л. // Наука в Росії. 2002. №3. С.4-12.

3. Короновский Н. В. Общая геологія. М., 2002.

4. Короновский Н. Н. Структура тессер Венери і її тектонофизическое моделювання: Діс. ... канд. геол. наук. М., 2003.