Фізики з University of Science and Technology of China з’ясували, чому клейка стрічка «кричить» під час відривання від скла. Дослідження під керівництвом Ер Цян Лі (Er Qiang Li) опублікували у Physical Review E. Вчені зафіксували серію слабких ударних хвиль, що виникають через надзвукові тріщини в шарі клею. Про це повідомляє медіа про науку, технології та здоров’я КРВ.медіа з посиланням на текст дослідження.
Надзвукові тріщини у клейовому шарі
Клейка стрічка під час відривання від поверхні не рухається плавно. Процес відбувається у режимі «stick-slip» — чергування фаз прилипання і раптового ковзання. У фазі «stick» клейовий шар ще утримує поверхню, у фазі «slip» сила натягу долає адгезію, і стрічка різко відходить. Саме в цей момент усередині клейового шару формуються поперечні тріщини — так звані «transverse fractures», які рухаються від одного краю стрічки до іншого.
Дослідники зафіксували швидкість цих тріщин у межах від 250 до 600 метрів за секунду. Для порівняння, швидкість звуку в повітрі за кімнатної температури становить приблизно 342 метри за секунду. Отже, частина тріщин поширюється зі швидкістю, що перевищує швидкість звуку. Йдеться не про гучний вибух, а про дуже слабкі ударні хвилі. Проте механізм їх утворення подібний до класичного «звукового удару»: коли об’єкт рухається швидше за звук, формується хвиля стиснення. У випадку клейкої стрічки ці мікроскопічні хвилі й створюють характерний різкий писк.
Якщо відривати стрічку повільніше, швидкість тріщин зменшується, і звук стає слабшим. Під час різкого ривка частота й інтенсивність мікроударів зростає, що робить звук більш пронизливим. Таким чином побутове спостереження узгоджується з фізичним механізмом, зафіксованим у лабораторії.
Експеримент з надшвидкісною зйомкою
Команда Ер Цян Лі використала дві надшвидкісні камери та два чутливі мікрофони для дослідження процесу відривання 19-міліметрової прозорої стрічки від скла. Одна камера знімала знизу крізь скляну поверхню, інша — зверху із застосуванням шлірен-візуалізації, що дозволяє бачити зміни щільності повітря. Такий метод застосовують для фіксації ударних хвиль і турбулентності.
Синхронізація аудіозапису з відео дала змогу визначити джерело звуку. Коли тріщина рухається надзвуково, за нею формується крихітна порожнина — зона часткового вакууму між стрічкою та склом. Повітря не встигає миттєво її заповнити. Коли ця порожнина досягає краю стрічки, вона різко схлопується, і в повітря викидається слабка ударна хвиля зі швидкістю близько 355 метрів за секунду.
Порівняння часу надходження звуку до двох мікрофонів, розташованих по різні боки експериментальної установки, підтвердило, що кожен акустичний імпульс виникає саме на краю стрічки, а не вздовж усієї лінії тріщини.
Чому це важливо для науки
Проблему звуку клейкої стрічки досліджують уже кілька десятиліть. Роботи 2010 та 2014 років пов’язували акустичний ефект із пружними хвилями або тріщинами, однак точний механізм залишався нез’ясованим. Нове дослідження уточнює, що основний внесок у звук дає саме серія слабких ударних хвиль. Пружні хвилі у вже від’єднаній частині стрічки також можуть створювати звук, але їхній внесок є меншим.
Ці результати мають значення для ширшої галузі фізики руйнування та адгезії. Розуміння того, як швидко поширюються мікротріщини та як вони взаємодіють із повітрям, важливе для розробки нових клейових матеріалів, композитів і тонких плівок. Подібні механізми можуть виникати в мікроелектроніці, покриттях або біоматеріалах, де контроль над адгезією та руйнуванням є критичним.
Таким чином, звичайна клейка стрічка стала моделлю для дослідження надзвукових процесів у м’яких матеріалах.
