Корпус «Титана» был сделан из композита (углеродное волокно) и титана. Титан эластичен и хорошо адаптируется к нагрузкам, а углеволокно жёстче и при определённых условиях становится хрупким и склонным к внезапным трещинам. Как только нарушилась герметичность, огромное внешнее давление резко изменилось: оно перестало уравновешивать давление внутри аппарата. Возникла колоссальная сила, направленная внутрь. Уже через 2 миллисекунды середина цилиндрического корпуса начала деформироваться и схлопываться. Менее чем за 8 миллисекунд углепластиковый корпус практически полностью разрушился. К 13 миллисекундам люди на борту уже были мертвы. Иными словами: к моменту, когда мозг начал бы обрабатывать сигнал о боли, самого ощущения уже не было. Погибло 5 человек. (Из Сети)
Почему след одного самолёта исчезает, а другого остаётся надолго?
Белая полоса за реактивным самолётом — конденсационный след, который также называют инверсионным. Его видимая часть состоит преимущественно из кристаллов льда.
При сгорании топлива образуется вода. Горячий влажный выхлоп смешивается с холодным окружающим воздухом. При подходящих условиях возникают капли, которые замерзают.
Дальше многое зависит от окружающего воздуха. Если он недостаточно влажен, кристаллы сублимируют — переходят из льда в водяной пар. Если воздух пересыщен водяным паром относительно льда, кристаллы могут расти, а след — сохраняться и расширяться под действием ветра.
Поэтому даже самолёты в одном участке неба могут оставлять разные следы: на разных высотах условия различаются.
В ролике — короткий разбор этого атмосферного явления.
Следующая тема «Спутника знаний» — как камера смартфона делает фото в темноте.
На Луне человек весит примерно в шесть раз меньше, чем на Земле. Именно весит — масса тела остаётся той же. Если земные весы показывают 60 килограммов, на лунной поверхности они показали бы около десяти, если бы их вообще можно было нормально использовать в таком месте. А вот разогнать эти те же 60 килограммов по-прежнему пришлось бы с теми же усилиями: инерция никуда не исчезает.
Из-за слабого притяжения прыжок там выглядит непривычно. Человек отталкивается, поднимается выше земного и дольше опускается обратно. Но кино иногда создаёт впечатление, будто астронавт может легко подпрыгнуть на несколько этажей. На деле всё ограничивает не одна только гравитация. Скафандр тяжёлый, жёсткий и не похож на спортивный костюм: в нём трудно согнуть ноги и быстро среагировать. Поэтому движения получаются скорее широкими и осторожными, чем акробатическими.
Есть ещё забавная ловушка в формулировке «весит в шесть раз меньше». В быту мы привыкли говорить о весе в килограммах, хотя килограмм — единица массы. Масса говорит, сколько вещества в теле и насколько оно сопротивляется разгону. Вес — сила, с которой тело давит на опору под действием притяжения. На Луне человек не становится легче в смысле инерции: его всё так же трудно резко остановить, если он уже движется. Просто пол и весы тянут его слабее.
Почему же тогда можно подпрыгнуть, но нельзя одним мощным прыжком улететь? Потому что «покинуть поверхность» и «покинуть Луну» — совершенно разные задачи. Для обычного прыжка достаточно на короткое время придать телу скорость вверх. Земное притяжение замедляет подъём и возвращает человека вниз; на Луне оно слабее, поэтому полёт длится дольше. Но чтобы не вернуться вообще, надо набрать огромную скорость — лунную скорость убегания, около 2,4 километра в секунду. Это не «прыгнуть посильнее», а разогнаться быстрее гоночного автомобиля в тысячи раз.
Прыжок астронавта даже близко не даёт такой скорости. Ноги толкают тело на доли секунды, а мышцы и суставы не превращаются в ракетный двигатель. Без атмосферы нет воздушного сопротивления, но это не помогает создать нужное ускорение: вакуум убирает тормоз, а не добавляет тягу. Чтобы улететь, нужна ракета, которая долго и управляемо разгоняет аппарат.
Так что лунная походка — хороший пример того, как одно изменение условий меняет привычный жест, но не отменяет физику. Низкая гравитация даёт длинные прыжки и медленные падения. Инерция остаётся земной, а до космического побега всё равно нужны скорость и двигатель.
Поэтому нельзя просто взять рекорд прыжка на Земле и умножить его на шесть. Гравитация слабее примерно в шесть раз, но высота зависит ещё и от того, как человек отталкивается, как сгибает ноги, сколько весит снаряжение и сколько энергии удаётся передать телу. Астронавт в тяжёлом скафандре — не тот же спортсмен в лёгкой форме, только на другой планете. Надёжнее сказать так: лунное притяжение заметно облегчает подъём и замедляет падение, но не делает человека способным перепрыгнуть через горизонт.
В том числе обволакивая планету, ошибка лозы заключается в том, что он рассуждает с точки зрения проживания на земле, а с точки зрения общей оценки космических процессов, истина оказывается иной.
Радиация - основной фактор препятствующий дальним пилотируемым полетам. Нормативы доз радиации для человека на атомных объектах на Земле и в космосе рознятся в ~20 раз. Риски, связанные с освоением космоса, ложатся на плечи небольшой группы людей (космонавтов, астронавтов, тайконавтов, вьоманавтов), но выгоды от них получает всё общество.
Рассчитаны эффективные дозы: полет к Луне — 5,4 мЗв, к Марсу — 378 мЗв; год на лунной базе без защиты — до 1200 мЗв.
Установлено, что для стационарных баз оптимальным является использование лунного реголита с борсодержащими добавками (эффективность поглощения нейтронов до 92%), а для скафандров — многослойная комбинация полиэтилена высокого давления и полиэфирэфиркетона (PEEK).
Как ауксетики меняют медицину, военное дело и строительство
16 октября прошел студенческий пресс-тур в Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН, организованный порталом «Научная Россия». В ходе мероприятия заведующий лаборатории новых материалов и технологий доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Сергеевич Лисовенко рассказал о материалах с отрицательным коэффициентом Пуассона, о том, как физическая теория помогает «лечить» трещины в напечатанных деталях, и о неожиданных открытиях на стыке механики, биологии и истории.
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
Материалы, которые ведут себя «наоборот»
«Мы занимаемся как классическими задачами, так и неклассическими», — начал свое повествование Дмитрий Лисовенко. Если тянуть обычный материал, то его поперечное сечение сжимается. Но существуют материалы, которые ведут себя противоположным образом: при растяжении они расширяются. Их называют ауксетиками, или материалами с отрицательным коэффициентом Пуассона».
Долгое время в науке обсуждались только классические материалы, а ауксетические материалы стали активно изучать лишь в последние 20–30 лет. У ауксетиков есть еще два важных свойства: они иначе изгибаются и сильнее сопротивляются проникновению посторонних объектов по сравнению с классическими материалами.
«Если на обычный, неауксетический материал давить иглой, он растекается, и образуется лунка или дырка. Ауксетики же при давлении, наоборот, стекаются, сжимаются», — пояснил Дмитрий Сергееевич. — Это открывает перспективы для защитных решений — например, для батарей или бронезащиты, хотя для пуль это сложно. Среди идей — медицинский матрас, предотвращающий пролежни, и «растущая» одежда для детей: штаны, которые растягиваются по мере роста ребёнка».
Конструируем свойства, которых нет в природе
Лаборатория новых материалов и технологий ИПМех РАН создает метаматериалы с ауксетическими свойствами. Это материалы, которые конструируют искусственно, чтобы придать им свойства, не встречающиеся в природе. Обычный правильный шестиугольник при растяжении сжимается; чтобы получить обратный эффект, его преобразуют в вогнутый шестиугольник, которыйпри растяжении превращается в прямоугольник и в поперечном сечении расширяется. Структуры можно усложнять, учитывая хиральность — подобие правой и левой руки, когда объекты похожи, но не совмещаются.
«Хиральность, то бишь свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве, важна и в фармакологии. Лекарства с разной хиральностью могут подходить или не подходить разным людям», — отметил Дмитрий Лисовенко.
Еще один тип материалов, интересных для исследования — композиты, где при растяжении по одной оси волокна поджимаются, создавая «прошивание» по другой. Третий — кристаллические материалы без дефектов. Лаборатория новых материалов и технологий ИПМех РАН внесла существенный вклад в исследование кристаллических ауксетиков: публикации по этой теме со всего мира часто приходят к ним на рецензирование. По таблице Д.И. Менделеева примерно четверть материалов может проявлять такие свойства.
«В прикладной науке недостаточно красивой формулы — нужна простая модель, которую можно объяснить на пальцах». Для некоторых материалов, проявляющих ауксетические свойства, такой моделью оказался «конфетный фантик»: если тянуть закрученную конфету, она сжимается, а если раскручивать — расширяется», - привел образный пример доктор физико-математических наук.
Нанотрубки задолго до нанотехнологий
Практически весь мир связывает открытие углеродных нанотрубок с 1991 годом, но советскими учеными они были получены ещё в 1952 году — за 40 лет раньше. Их описали физико-химики Леонид Викторович Радушкевич и Всеволод Михайлович Лукьянович. Они опубликовали статью «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте» в «Журнале физической химии». В работе были представлены 12 фотографий, сделанных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, на которых видны скопления нитевидных частиц. Эти изображения считаются первыми в мире электронно-микроскопическими изображениями многостенных углеродных нанотрубок. Тогда не было понятия нанотехнологий, и их называли «червеобразной формой» или «углеродным червяком». Применения в 1952 году новому материалу не нашлось, работы были опубликованы и забыты.
Исследователи из лаборатории новых материалов и технологий ИПМех РАН описывали упругие свойства углеродных нанотрубок: один сотрудник заменял химические связи стерженьками, другой - развивал модель полого цилиндрического стержня. Оказалось, что углеродные нанотрубки тоже могут обладать отрицательным коэффициентом Пуассона, причём, у толстых трубок поведение меняется. Это важно для композитов: одни авторы сообщают об улучшении свойств материалов при добавлении в их состав нанотрубок, другие — об ухудшении, и толщина трубки может быть одной из причин изменения свойств материала, в который они добавляются.
Эксперимент и теория: только вместе
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
В современной науке недостаточно быть только теоретиком или только экспериментатором — нужно совмещать оба подхода.
«Раньше, ещё 30–40 лет назад, надо было выбирать какую-то одну специализацию. В современном мире надо совмещать минимум два направления, надо постоянно совершенствоваться, — подчеркнул Дмитрий Лисовенко. — Наша лаборатория следует принципу: теоретические предсказания всегда подтверждаются численными или натурными экспериментам».
Отличное от привычного поведение материалов-ауксетиков при пробивании навело ученых на мысль об их применении в защитных конструкциях. Уникальность ауксетиков проявилась и в том, что при ударе поражающий элемент почти не проникает внутрь материала — энергия перераспределяется по всей поверхности. Например, человек в бронежилете из ауксетического материала получит не глубокую травму, а большой синяк.
«Удар расходится как волна от брошенного камня, только волна распространяется достаточно широко, а камень внутрь почти не проникает», - поделился Дмитрий Сергеевич.
Стенты, авиалопатки и высокие температуры
Нашлось ауксетикам применение и в медицине. Поскольку материал сильно расширяется при растяжении, из него были сделаны кардиоваскулярные стенты, причём, биодеградируемые или биоразлагаемые.
«Мы не только испытываем формулы, но иногда и работаем дизайнерами, — пошутил Дмитрий Лисовенко. — Прямые элементы шестиугольника заменили на криволинейные синусоидальные. Прототипы изготовили на 5-фемтосекундном лазере, испытания проводили в ванночке при 37 градусах под давлением: стент раскрывался лучше изделия из неауксетических материалов более, чем в два раза, что способствовало ускоренному восстановлению гемодинамики (кровотока)».
Еще одно направление деятельности лаборатории новых материалов и технологий — исследование механических свойств материалов для лопаток турбины от реактивного двигателя, работающих при температуре до 1200 градусов. Построить единую теорию для такого материала нереально: приходится исследовать его поэтапно.
«В изготовлении лопаток развитие шло через несколько поколений: сначала зерновая структура, потом пластинчатая, а сейчас монокристаллы. На монокристалле никелевого жаропрочного сплава исследования показали, что ауксетики действительно по-другому изгибается», - сообщил эксперт.
Задача исследования механического поведения материалов осложняется климатическими условиями нашей страны, где копировать решения иностранных ученых зачастую иррационально.
«У нас перепады от минус 50 до плюс 50, чего нет в других странах. То есть нам надо учитывать и повышенную хрупкость материалов, и экстремально низкие, и очень высокие температуры», — сказал Дмитрий Лисовенко.
Лаборатория новых материалов и технологий знаменита не только работой с отрицательным коэффициентом Пуассона, но и работой с отрицательной ползучести: стержень при растяжении вместо удлинения со временем начинает укорачиваться. Этот эффект показан при температурах вблизи 1000 градусов, а при комнатной температуре не наблюдается.
«Дьявол» кроется в деталях?
«Залечить» трещины в металле? Не вопрос! В современном мире многое изготавливается на 3D-принтерах, и в напечатанных деталях очень много дефектов.
«Берут сталь AISI 316L и обрабатывают высокоэнергетическим электроимпульсом — очень коротким, практически мгновенным», — пояснил Д. Лисовенко. Для стали 316L расчёт показывает необходимость 33 электроимпульсных ударов, причём энергия должна каждый раз возрастать: при малых энергиях залечиваются кончики трещин, затем - более глубокие области, на снимках они маркируются цветом, и в итоге дефект становится более округлым. Необработанные дефекты выглядят при большом увеличении пугающе: с острыми иглами и трещинами, а после обработки проблемные места исчезают».
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
Изготовление протезов и борьба с аневризмой
Ещё одно направление лабораторных работ — биомеханика. Дмитрий Лисовенко развенчал популярный миф: сидеть с ложкой мёда и ждать нормализации кровотока за счет его поедания бесполезно.
«Иногда атеросклеротические бляшки устроены так, что с одной стороны в них заходит кровоток, а с другой они закрыты и открываются только под кровеносным давлением. Питание и регулирование кровотока важны с молодого возраста, но мед не панацея от повышенного холестерина», — сказал он.
Лаборатория новых материалов и технологий рассматривала задачу разрыва брюшной аневризмы с принципиально новых позиций. Если в парадигме классической гидродинамики кровоток изучали как течение воды в жёсткой трубе, теперь исследователи одновременно учитывают и движение крови, и то, что стенки сосуда «дышат», т.е. применяются FSI-модели (Fluid Structure Interaction).
«Это довольно сложно, потому что там разные расчетные сетки, необходимо компьютер настроить для жидкости, для стенки, сопоставить параметры», — отметил Дмитрий Лисовенко. — На 2D-модели смотрели, как меняются динамическая вязкость и давление, затем стали составлять рекомендации для врачей. Наша лаборатория взаимодействует с одним из хирургических центров, но точных универсальных предсказаний по развитию болезни и прогнозам выздоровления дать нельзя — у каждого человека всё индивидуально».
В биомеханике сложно построить универсальную формулу и рассчитать всё теоретически, поэтому ученые используют связку из двух методов. Сначала компьютерные модели подсказывают возможные сценарии, а затем проводятся натурные эксперименты для их проверки.
В лаборатории этот процесс выглядит так: в стеклянную модель сосуда заливают водно-глицериновую жидкость, а её движение подсвечивают «световым ножом» — очень узким плоским лучом. Так исследователи визуализируют, как движется жидкость при аневризме.
Эксперименты показывают критическую роль закреплений. На примере численной модели в зонах, где динамическая вязкость (визуализированная красным цветом) максимальна, кровь почти не течёт. Там начинает скапливаться тромботическая масса. Со временем она накапливается, внутреннее давление растёт, стенка сосуда утончается, что в итоге приводит к разрыву. Главное отличие такой лаборатории от других — она привносит в модель реальные дефекты: учитывает не только вязкость, но и наличие тромбов, а также износ стенки.
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
От биоматериалов до куполов
Дмитрий Сергеевич Лисовенко поднял важную проблему: стандартов по определению механических свойств биоматериалов практически нет.
«В научном мире испытания проводят каждый, как умеет, в зависимости от эксперимента», — отметил он. — В прошлом году было доказано, что для получения точных данных отношение длины образца к его поперечному сечению должно составлять примерно 1 к 5 (как и для обычных конструкционных материалов). Если брать маленькие кубики, значения прочности получаются заниженными. Это имеет прямое практическое значение для протезирования. При осколочных ранениях осколок может войти в мышцы и вынести часть кости. Очень важно, на каких образцах тестировать биоматериалы, чтобы правильно подобрать человеку соответствующий протез».
Одна из задач коллектива физиков ИПМех РАН — поиск формы оптимального купола. Например, дано здание с круглым основанием, на которое нужно поставить купол известной высоты и объёма.
«Конструкция находится под действием собственного веса, и наложено условие прочности: трещины появляться не должны. Требуется найти форму с минимальным весом. Вторая задача усложняется дополнительным условием, учитывающим специфику нашей страны – снеговой нагрузкой. Когда коллеги получили решение, они долго не могли прийти в себя: оказалось, что оптимальный купол — без «мыши» (отверстия в вершине). Этот парадоксальный вывод был опубликован около десяти лет назад в «International Journal of Fracture». Выяснилось, что предки тысячу-две тысячи лет назад уже строили именно такие купола, хотя не обладали современным математическим аппаратом», - заключил Дмитрий Лисовенко.
В финале лекции доктор физико-математических наук привёл два образа, иллюстрирующих единство науки и искусства: благодарность физика Томаса Кинга своему учителю за открытие «прекрасного мира теории упругости анизотропного тела». При работе с реальными кристаллическими материалами понимание анизотропии и симметрии становится ключевым, а также лестницу и картины Морица Эшера, нидерландского художника-графика, апологета симметрии, характерной для кристаллографии.
Нанотрубки в разряде: другой ракурс
Современные исследования углеродных нанотрубок ведутся не только в ИПМех РАН. Свой вклад в эту тему вносит и Лаборатория углеродных наноматериалов Российского нового университета (РосНОУ), где работают ведущий научных сотрудник Вадим Аскерович Вагапов и завлаб Ольга Валентиновна Демичева. Здесь важно сразу оговориться: в РосНОУ не изучают ауксетические свойства материалов и отрицательный коэффициент Пуассона. Здесь в фокусе иное, но не менее перспективное направление — поведение многослойных углеродных нанотрубок в газовом разряде.
Вадим Аскерович и Ольга Валентиновна обнаружили эффект возникновения цилиндрических образований из насыпного слоя многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) марки ДЕАЛТОМ и их последующей стабилизации в середине межэлектродного пространства в условиях барьерного искрового газового разряда атмосферного давления. В экспериментах такие образования могли отрываться от поверхности порошка и «левитировать» между электродами, образуя вместе с искровыми промежутками отдельный вертикальный разрядный столб. При росте тока многочисленные разряды могли вырождаться в одиночный столб с цилиндрическим образованием МУНТ посередине.
Механизм эффекта связывают с необычным сочетанием свойств нанотрубок: высоким контактным сопротивлением в агломератах и низким сопротивлением отдельных МУНТ, их автоэмиссионной способностью, собственной ёмкостью и малой удельной плотностью. Вертикальная стабилизация объясняется отрицательной обратной связью за счёт разности токов «входящего» и «исходящего» разряда, а горизонтальная — действием силы Лоренца — Ампера и, предположительно, поляризацией агломератов с образованием дипольных цепочек. Практический интерес здесь связан с возможностью макро- и микротранспорта нанотрубок в разряде под управлением магнитного поля; дальнейшие исследования должны уточнить поведение эффекта в разных газах, при разных давлениях и в вакууме, а также резонансные явления и взаимодействие плазмы с МУНТ.
Благодаря исследованиям РосНОУ, материаловедческая картина становится шире. Рядом с ауксетиками и метаматериалами с отрицательной ползучестью существуют и другие «неклассические» объекты — например, нанотрубки, которые в газовом разряде ведут себя как управляемые микро- и макроструктуры. Это ещё один пример того, что будущее технологий связано не с копированием природы, а с конструированием новых физических эффектов на микроуровне.
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
Вместо послесловия
История, рассказанная Дмитрием Сергеевичем Лисовенко, демонстрирует фундаментальный сдвиг в современной инженерной и фундаментальной науке. Главный закономерный вывод заключается в том, что будущее технологий лежит не в слепом копировании природы, а в осознанном конструировании новых физических законов на микроуровне.
Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (ауксетики) и метаматериалы с отрицательной ползучестью — это не просто курьезы физики, а инструменты, позволяющие решать задачи, которые вчера считались неразрешимыми. Мы видим, как теоретическая механика напрямую спасает жизни: от биодеградируемых стентов, раскрывающихся вдвое лучше классических, до бронежилетов, превращающих смертельное проникающее ранение в обширный, но неопасный синяк.
При этом доклад Лисовенко убедительно доказывает, что никакая, даже самая совершенная математическая модель не работает в отрыве от реальности. Компьютерные симуляции аневризмы или расчет оптимальной формы купола требуют обязательной верификации натурным экспериментом. Только привнося в модель реальные дефекты — тромботическую массу, микротрещины от 3D-печати или экстремальные перепады температур от минус 50 до плюс 50, свойственные нашей стране, — ученые получают результат, применимый на практике.
Символичным и закономерным итогом становится исторический экскурс: открытие углеродных нанотрубок в 1952 году советскими учеными и интуитивное строительство идеальных куполов без «мыши» нашими предками. Это напоминает о том, что Россия исторически находится на переднем крае материаловедческих открытий.
В конечном счете, рассказ Дмитрия Сергеевича стирает границы между дисциплинами. Физика помогает фармакологии через изучение хиральности, механика объясняет работу кардиостимуляторов, а кристаллография находит общий язык с графикой Эшера. Наука перестает быть набором разрозненных формул и снова становится единым инструментом познания, где асимметрия картины и симметрия кристалла — лишь разные грани одной истины. Главный урок для нового поколения инженеров прост: чтобы двигать прогресс, нужно не бояться нарушать привычные законы, но при этом всегда проверять свои смелые гипотезы строгим языком эксперимента.
При этом важно видеть всю широту материаловедческого поиска: пока в ИПМех РАН развивают ауксетики и метаматериалы, в РосНОУ Ольга Демичева и Вадим Вагапов исследуют нанотрубки в барьерном искровом разряде — направление иное, но не менее перспективное. Общий вывод от этого только усиливается: прорыв рождается там, где теория, эксперимент и неожиданные свойства материалов встречаются вместе.
Автор – Алена Юрченко, фото Елены Либрик/портал «Научная Россия».
Знакомые складки после ванны связаны с активной реакцией организма, в которой участвует симпатическая нервная система.
Кровеносные сосуды в кончиках пальцев сужаются, объём тканей под кожей уменьшается, и поверхность собирается в складки. Поэтому сводить весь эффект к тому, что кожа «напилась воды», некорректно.
Зачем это происходит — отдельный вопрос. Есть гипотеза, что складки помогают обращаться с мокрыми предметами. Однако механизм образования морщин и их предполагаемая эволюционная польза — не одно и то же: вторую не стоит выдавать за окончательно установленный факт.
В ролике — короткий разбор того, что происходит с пальцами в воде.
Следующая тема «Спутника знаний» — почему самолёт оставляет белый след в небе.
