«Physical Review Letters» опубликовал статью, в которой рассказывается об изучении французскими физиками процесса отматывания клейкой ленты с рулона. Результатом произведенных исследования стала качественная модель, объясняющая микроскопические «скачки» клейкой ленты при отматывании его с рулона.
Ученые снимали на высокоскоростную камеру, как отклеивается различая лента, натянутая под разным углом к поверхности. В результате они установили зависимость между амплитудой «скачков» и их периодом, а также между скоростью изгибной волны, которая пробегает по границе ленты и ее жесткостью.
Отматывая от рулона ленту, можно заметить, что процесс протекает неравномерно: то лента отклеивается неохотно, то в какие-то моменты скорость резко увеличивается и сразу отматывается довольно большой кусок. Физики назвали это явление макроскопическим проскальзыванием.
Это имеет место даже тогда, когда вроде бы лента отклеивается равномерно. В 2010 году группа ученых во главе с Такехару, сняв на высокоскоростную камеру процесс отклеивания ленты, обнаружила, что макроскопические «скачки» в свою очередь состоят из более мелких скачков длиной порядка 100 мкм. К тому же линия, разделяющая приклеенную и свободную части ленты, не прямая. Перпендикулярно ленте движется сверхзвуковая волна и вдоль неё отклеиваются новые фрагменты.
В 2015 году ученые со Стефаном Сантуччи во главе для объяснения этого процесса закрепляли нижний слой ленты, наклеивая на него второй слой, после чего отрывали под углом в 90°, используя моторчик. Процесс записывался ими на камеру с разрешением 10 мкм/пикс и частотой 525 тыс. кадров в секунду. В результате ученые обнаружили, что циклы отслаивания зависят от энергии упругих деформаций, периодически накапливаемой и высвобождаемой у линии отрыва. Но модель этого процесса тогда им не удалось разработать, как и выяснить, почему он нестабилен, они не смогли.
Новая статья рассказывает о том, что ученые, наконец, смогли разрешить эту загадку. Физики работали с прозрачной полиолефиновой лентой с тонким слоем акрилового клея — 3M Scotch 600. В этот раз ученые дополнительно пропитывали ленту жестким клеем. Это позволило почти в 2 раза изменить модуль изгиба ленты. К тому же, проводя этот эксперимент, исследователи изменяли длину ленты, угол отрыва, скорость отклеивания. Скорость отматывания выбрали равной 1,8 м/с. Все процессы ими записывались на камеру с разрешением 10 мкм/пикс и частотой 300 тыс. кадров в секунду.
В результате исследователи установили зависимость амплитуды «скачков» от угла отрыва и жесткости клейкой ленты. При этом они также выяснили, что амплитуда всегда пропорционально корню кубическому из периода «скачков», зависящему неявно от параметров ленты. В момент «скачка» на границе свободной части ленты и приклеенной возникает изгибная волна, движущаяся со скоростью 650–900 м/с. То есть время отрыва составляет менее 1 мкс, а период относительного покоя — до 100 мкс.
Для объяснения этой зависимости ученые разработали качественную теоретическую модель, в которой связаны:
- энергия упругих деформаций ленты и липкого слоя;
- кинетическая энергия системы;
- эффективная энергия разрушения клея.
В этой модели лента приближается пружинкой, накапливающей энергию до момента превышения порога, достаточного для разрушения клея. После этого резко высвобождает его. Из-за зависимости энергии упругих деформаций клейкой ленты от его жесткости и угла отрыва (радиуса кривизны) амплитуда «скачков» и скорость волны, пробегающей в момент отрыва по границе свободной поверхности, также зависят от этих параметров. Эта модель, несмотря на ее качественный характер, согласуется с данными, полученными в результате эксперимента.
Совсем не всегда ученые-физики исследуют «серьезные» явления, имеющие отношение к свойствам элементарных частиц, квантовой теории или сверхпроводимости. Порой их интересуют вопросы прикладного характера, связанные с предметами, используемыми повседневно.
Вопросы выдувания мыльных пузырей, расслоения кофе и молока в латте, оптимальных условий для трюка с бутылкой, которая подбрасывается, будучи частично наполнена водой, или процесса разламывания спагетти не остаются без внимания современных ученых.
