Почему вода точит камень? Объяснение физиков (3 фото)

Ferrum aqua crodit — «Вода железо гложет»,— говорили еще древние римляне. Способность жидкостей разрушать твердые тела известна с давних времен, и представленный снимок металлических образцов, поврежденных ударами воды, вряд ли кого удивит.

И все-таки трудно представить, каким образом вода, обладающая чрезвычайной текучестью, может создать такие повреждения, похожие на следы пуль. Для того, чтобы сделать такой отпечаток хотя бы на алюминиевой пластине с помощью стального шарика, необходимо, чтобы шарик при вдавливании выдержал напряжение не менее 2 500 кг/см2. А эти следы оставлены водой—следовательно, вода при ее внедрении в металл какое-то время вела себя подобно твердому шарику, не растекаясь…
Как же это стало возможным? Когда-то в науке о веществе господствовало мнение о структурной близости газов и жидкостей, якобы состоящих из совершенно неупорядоченных частиц. Напротив, чрезвычайно трудно было заподозрить какое-либо родство между жидкостями и твердыми телами. Уж очень различны их механические свойства! Взять хотя бы их поведение под действием скалывающих напряжений: твердые тела упруго сопротивляются сдвигу, жидкости текут.

Но и этого достаточно, чтобы предположить сходство жидкостей и твердых тел в некоторых свойствах—например, предположить, что при скалывающих напряжениях жидкостям присуща не только текучесть, но и некоторая упругость по отношению к сдвигу. Такого рода теорию предложил еще в 1867 году великий английский физик Джемс Клерк Максвелл. Он обратил внимание на то, что вещества типа смолы можно относить и к твердым телам и к жидкостям. Смола, оказывается, может по-разному реагировать на скалывающие напряжения— то как твердое тело, то как жидкость. Если напряжение прикладывается медленно либо действует продолжительное время, то смола течет, то есть ведет себя, как обыкновенная вязкая жидкость.
Когда приложенное напряжение действует весьма быстро, смола вплоть до разрушения испытывает деформацию, пропорциональную напряжению. Максвелл предложил простую и наглядную модель двойственного поведения смолы. Он соединил пружину и цилиндр, заполненный жидкостью, внутри которого перемещается поршень.

Пружина — идеальный упругий элемент, цилиндр с поршнем — амортизатор, идеальный вязкий элемент, а их комбинация— так называемое тело Максвелла—отлично демонстрирует вязко-упругий характер жидкостей и родственных им веществ типа смолы, которые ныне принято называть переохлажденными жидкостями. Тело Максвелла поможет нам выяснить, как ведет себя жидкость при ударе. Совершенно ясно, что в момент удара пружина резко сожмется, принимая на себя ударный импульс, и лишь затем передаст его амортизатору, побуждая к движению поршень. Модель подсказывает, что и жидкость в момент удара вначале упруго сожмется и только затем начнет растекаться, причем начало ударного воздействия на жидкость и начало ее растекания будут разделены каким-то отрезком времени.
Скоростная киносъемка подтверждает этот вывод. В период упругой деформации жидкость ведет себя подобно твердому телу и в зависимости от скорости удара может пластически деформироваться


Смотрите также: