Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
В помощь читателю
Миллисекунды
Микросекунды
Остановившийся мир
И всё-таки он движется!
Пределы механического затвора
Наносекунды
Пикосекунды
Фемтосекунды
Аттосекунды
Зептосекунды
Йоктосекунды
От секунды до года
Астрономические времена
Сонолюминесценция
Фолдинг белков
Возбужденные атомы
Ядерные распады
Элементарные частицы
Движение континентов
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram





Главная / Масштабы: времена / Микросекунды / И всё-таки он движется!

Микросекунды: 2. И всё-таки он движется!

Стекло трескается под нагрузкой и покрывается сетью трещин

Примеры явлений, которые происходят на микросекундных временах. 1. Стекло трескается под нагрузкой и покрывается сетью трещин. Изображение с сайта esrf.eu

В микросекундном диапазоне окружающий нас мир действительно может показаться скучным — но это лишь пока мы глядим на него в привычном масштабе. Как только мы обратимся к мелким деталям, порядка миллиметра и меньше, мир наполнится разнообразными процессами, которые мы обычно вообще не замечаем.

В тонком проводке, через который идет ток, образуется и взрывается полость, и он перегорает

Примеры явлений, которые происходят на микросекундных временах. 2. В тонком проводке, через который идет ток, образуется и взрывается полость, и он перегорает. Изображение с сайта esrf.eu

Явления в твердых телах, разворачивающиеся на микросекундном масштабе, требуют, как правило, высоких давлений. Например, бокал из тонкого стекла при падении на твердый пол разбивается вдребезги за считанные микросекунды. В точке соприкосновения бокала с полом возникает и усиливается механическое напряжение в стекле, в какой-то момент оно порождает трещину, которая, ветвясь, разбегается по стенкам бокала со скоростью порядка скорости звука в стекле.

Разрушение упругих тел под нагрузкой может выглядеть по-настоящему красиво. Шикарные видеоролики на эту тему снимает и выкладывает в свой Youtube-аккаунт инженер и энтузиаст Дестин Сандлин (Destin Sandlin). Полюбуйтесь, как взрывается от удара стеклянная капля или как ломается изогнутая спагеттина! Эти явления поначалу кажутся совершенно загадочными, и лишь с помощью сверхскоростной видеокамеры, делающей сотни тысяч кадров в секунду, удается разобраться, что же происходит с веществом на масштабе в считанные микросекунды.

Пластичные твердые тела разрушаются иначе. Бронебойный кумулятивный снаряд, достигнув цели, взрывается и сплющивает внутреннюю металлическую оболочку. Под высоким давлением металл течет, из центра снаряда вырывается тонкая струя жидкого металла со скоростью около 10 км/с, и за 100–200 микросекунд она пробивает метр брони. Да что там бронебойный снаряд — обычная пуля в момент попадания в очень твердую мишень порождает в первые микросекунды миниатюрную взрывную волну и только потом расплющивается о стенку.


ρ — плотность,
σ — коэффициент поверхностного натяжения

Немножко иные законы управляют поведением жидкостей. На масштабах в миллиметры и меньше самым главным эффектом является поверхностное натяжение. Оно разрывает струю на отдельные капли и заставляет их колебаться. При этом чем меньше характерный размер капель или струй, тем быстрее протекают соответствующие явления. Если для капельки воды размером миллиметр капиллярное время tc составляет несколько миллисекунд, то капли микронных размеров колеблются раз в микросекунду и быстрее.

Мыльный пузырь лопается за несколько миллисекунд. Но если приглядеться к этому процессу повнимательнее, можно увидеть, что разорванная кромка пузыря, стягиваясь, порождает мельчайшие капельки, и образуются они за сотни, а то и десятки микросекунд. Одиночная капля воды, упав с небольшой высоты на несмачиваемую поверхность, будет очень медленно — по микросекундным меркам, конечно, — растекаться и потом собираться вновь. Но на каком-то этапе этого неторопливого процесса капелька может выстрелить вверх тончайшей струйкой воды. Эта струйка возникает при схлопывании микроскопического воздушного канала посреди капли, и весь процесс этот занимает десятки микросекунд.

Последовательные этапы вылета капельки чернил из сопла струйного принтера

Последовательные этапы вылета капельки чернил из сопла струйного принтера. Кадры отвечают временам 10, 20, ..., 80 мкс после начала действия нагревательного элемента. Изображение с сайта doc.utwente.nl

Столь же скоротечны и капиллярные процессы в струйном принтере. Микроскопическая капелька чернил резко нагревается и выстреливает из сопла картриджа. Такая банальная задача — поставить ровненькую микроскопическую кляксу на бумагу — разбивается на несколько этапов: вскипание микрообъема чернил, их расширение, вытекание из сопла, разрыв струйки чернил и отделение вылетевший капельки. Размеры капель составляют десятки микрон, и потому типичное время «выстреливания» одной капли — десятки микросекунд. Поскольку быстрая и аккуратная печать совершенно необходима в современном мире, на доскональное изучение этого процесса во всех его мельчайших подробностях тратятся большие усилия (см., например, диссертацию, целиком посвященную математическому и физическому описанию этого процесса).

Назад: Остановившийся мир  |  Далее: Пределы механического затвора

 

Комментарии (1)
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия