Сила разуплотнения поверхностного слоя жидких, твердых и газообразных веществ (стр. 7 )

Рис. 5. Моделирование механизма возникновения СРПС на примере формирования “выдува” в снежном сугробе у стенки во время метели; стрелками показано направление струй воздуха, влияющих на формирование сугроба

2.1.6. Объяснение Т-СРПС на примере игры “вкруговую” или “в обе стенки”

Практически смоделировать механизм действия Т-СРПС можно на примере игры, в которую мы играли в детстве вместе с ребятишками и называли “вкруговую”. Мы становились в круг, и один водящий оставался внутри (рис. 6, а). Задача была – попасть в водящего мячом, который кидал любой игрок из круга. Мяч можно было перебрасывать от одного игрока к другому, а водящий должен был или увернуться от мяча или поймать его. Водящий старался как можно дальше отскакивать от того игрока, к которому в данный момент перекинули мяч. Поэтому он в течение игры больше всего времени находился в центре круга, так как это было самое оптимальное расстояние, с которого можно было быстрее всего отскочить от игрока с мячом.

Если несколько видоизменить игру (отталкивать водящего от игроков в круге или он сам будет отталкиваться от них), результат будет тот же самый: водящий будет чаще всего находиться в центре.

Во всех этих случаях чем ближе водящий будет находиться к игрокам, тем меньше времени ему понадобится, чтобы дойти до них и оттолкнуться, и тем больше – чтобы вернуться к центру круга. Другими словами, меньше всего времени водящий находится вблизи игроков, а меньшее время пребывания означает увеличение скорости движения от игроков к центру круга.

Рис. 6. Схематическая модель разуплотнения молекул у стенки сосуда (на примере игры с мячом) а – наиболее выгодное положение водящего (черный кружок) относительно игроков (белые кружки) при игре “вкруговую”; стрелкой показано направление ускоренного смещения от игроков водящего, случайно оказывающихся вблизи них; б – то же, вариант “две цепочки одинаковой плотности“; в – вариант “две цепочки разной плотности”; г – направление смещения (стрелка) каждой молекулы газа или воды, случайно оказывающейся вблизи стенки сосуда, что приводит к созданию разуплотненного поверхностного слоя (разреженные точки) и к снижению концентрации в нем растворенных веществ

Следует обратить внимание, что речь идет не о скорости движения непосредственно самого водящего, т. е. бегом или шагом он перемещается, а о скорости его смещения в круге от периферии к центру за какой-то определенный интервал времени, который можно, например, засечь секундомером. В среднем он за этот интервал быстрее всего смещается от периферии к центру круга и поэтому наиболее частым местом его пребывания является центр круга, как наиболее устойчивая позиция. Благодаря частым случайным отталкиванием водящего от игроков возникает в целом его направленное движение к центру круга.

Если еще видоизменить игру (выстроить игроков в две параллельные цепочки), то наиболее выгодным положением водящего будет линия посредине между этими цепочками (см. рис. 6, б). Если одна из цепочек более редкая (например, часть игроков в шахматном порядке отошла назад), то устойчивое расположение водящего также несколько смещается в эту же сторону, потому что туда смещается среднее расстояние между цепочками (см. рис. 6, в).

Таким образом, в процессе игры водящий стремится занять наиболее устойчивое положение, причем это положение определяется соотношением расстояний от него до игроков. Он занимает позицию на среднем расстоянии между игроками, учитывая также возможность их некоторого рассредоточения с одной из сторон. Появление же водящего в другом месте, например, вблизи более плотной цепочки, создает эффект силового давления на него, заставляющего его перемещаться на безопасное расстояние – в место устойчивого положения.

Эти простые рассуждения приведут нас к важнейшим выводам, если мы применим их к движению молекул газа или воды в ее поверхностном слое, например, у стенки сосуда, где каждая молекула ведет себя подобно водящему в вышеотмеченной игре (см. рис. 6).

2.2. Сущность действия Т-СРПС газов

Все вышеприведенные модели образования разуплотненного поверхностного слоя газообразных веществ характеризуют механизм его образования в целом, независимо от того, есть или нет в нем примесь других растворенных в них других газов. Таким образом, в образовании поверхностного слоя участвует вся масса газа. Это температурная составляющая силы разуплотнения поверхностного слоя веществ. Объяснение того, почему именно температурная, а не осмотическая составляющая, будет дано ниже на примере жидкостей, где обе эти составляющие четко различаются своим действием в природных процессах.

Т-СРПС газов действует в момент увеличения объема сосуда, в котором заключен газ. Например, при увеличении длины трещины в ее узкую удлиняющуюся часть, т. е. острие, попадает газ из глубинных частей; здесь он, касаясь стенок трещины и разуплотняясь в объеме, создает давление на стенки. Рассмотрим, как это может проявляться в природных явлениях.

2.3. Результаты действия Т-СРПС газов

2.3.1. Снижение механической прочности твердых веществ при их деформациях в газовой среде

Французские ученые А. Клаус, Г. Эйсхен и Х. Форестье (1965) провели эксперименты по разрыву проволок из золота, серебра, платины, мели, вольфрама, железа и стеклянных нитей в химически инертных средах: вакууме, гелии, водороде, неоне, аргоне, азоте, воздухе, углекислом газе и воде. Оказалось, что все исследованные твердые вещества имеют наивысшие механические характеристики в вакууме. В других средах, в том числе и газах, прочность проволок понижается, и тем сильнее, чем меньше диаметр проволоки. Эти результаты сопоставляются с аналогичным воздействием поверхностно-активных жидкостей, хотя действие газов значительно слабее.

Экспериментаторы объясняют это влиянием физической адсорбции газов, способствующей разрушению твердых тел.

По моему мнению, это можно объяснить действием Т-СРПС газов. В процессе механического растяжения проволоки в появляющиеся микротрещины устремляется газ из окружающей среды. В острие этих трещин он соприкасается со стенками, разуплотняется за счет действия Т-СРПС и, расширяясь, создает давление на них, еще более удлиняя трещины и снижая механическую прочность проволоки. В вакууме такого явления не происходит, и поэтому прочность материалов выше.

В жидкости это воздействие еще сильнее, так как она обладает большим удельным весом и, заполняя микротрещины, обладает более высокоинерционной массой. Поэтому, когда в новообразующихся участках острия трещин происходит “микровзрыв” Т-СРПС, давление силы в большей степени передается на стенки трещины и в меньшей – на выталкивание жидкости из трещины наружу. Газ же в этом случае, как более легкая субстанция, легче выталкивается наружу, и поэтому давление Т-СРПС в меньшей степени передается на стенки.

2.3.2. Содействие сходу снежных лавин

Известно, что для схода снежных лавин бывает достаточно взрыва орудийного снаряда над поверхностью снега, или механического сотрясения снега при скатывании лыжника, или даже просто громкого звука. В этот период в снежном слое появляются микротрещины, в том числе и вдоль ледяных контактов спаявшихся снежных зерен и кристаллов. Это способствует возникновению Т-СРПС воздуха, который попадает в эти микротрещины и расширяет их, образуя новые, – и так далее. Таким образом, благодаря Т-СРПС создается саморазвивающаяся система трещин, которая резко снижает механическую прочность снега, и поэтому последний сходит в виде лавины.

По существу, если сравнить сход лавины с выстрелом из ружья, то можно сказать, что первичное механическое сотрясение снега – это удар бойка по капсюлю, а последующее действие Т-СРПС – это воспламенение капсюля-детонатора, который уже затем зажигает порох в патроне, т. е. сход лавины.

2.3.3. Роль в сверхпроводимости электрического тока

Кажется, что этот раздел совсем не соответствует теме книги, но только на первый взгляд. Известно, что электрический ток обусловлен потоком электронов вдоль проводника под воздействием приложенного магнитного поля. Электроны имеют определенную массу и заряд и поэтому ведут себя, как частицы, способные соударяться друг с другом и отталкиваться, создавая подобие газовой среды. В физике существуют понятия “электронное облако”, “электронный газ”. Но электроны тесно связаны с ядрами атомов и, следовательно, в отличие от газов в проводниках не могут удалиться далеко за их пределы, так как ядра притягивают их к себе. В этом плане электронный газ ближе к электронной жидкости, ведь молекулы жидкости также держатся компактной массой за счет стягивания их ван-дер-ваальсовыми силами.

Если масса электронов ведет себя, как газ или жидкость, то и в ней должно проявляться действие Т-СРПС. Но каким образом?

У меня возникла идея, что посредством Т-СРПС можно объяснить сверхпроводимость электрического тока. Сверхэлектропроводимость была обнаружена в 1911 г. К. Онессом, показавшим, что при сверхнизких температурах сжижения гелия в проводниках полностью исчезает сопротивление электрическому току, который, раз запущенный в круговую сеть, может поддерживать это движение неограниченно долго без придания дополнительной энергии.

Современное объяснение сверхпроводимости следующее (Гинзбург, 1987; Матвеев, 1989). При обычных температурах электрическое сопротивление металла обусловливается главным образом рассеянием электронов на атомах кристаллической решетки металлов. Атомы совершают тепловые колебания около узлов решетки и этим мешают свободному проходу электронов вдоль проводника, отталкивая их в стороны от прямого пути. Колебания решетки описываются как возбуждения твердого тела, называемые фононами, а вся совокупность колебаний описывается понятием фононного газа. Электрическое сопротивление в этом случае является результатом электрон-фононного взаимодействия.

При понижении температуры электрическое сопротивление металла уменьшается вследствие ослабления колебаний атомов решетки и уменьшения электрон-фононного взаимодействия. Скорость изменения сопротивления металла уменьшается при понижении температуры. При достаточно малой, но не сверхнизкой температуре она становится практически равной нулю, а сопротивление практически постоянно и не зависит от температуры. Это сопротивление называется остаточным, т. е. это еще не сверхпроводимость.