90 Точка концентрации напряжений, или Как остановить трещину на стекле

90

Точка концентрации напряжений, или Как остановить трещину на стекле

Для опыта нам потребуются: две длинные палки.

Ну, раз уж начали про стекло, давайте подумаем над занятным вопросом. Часто бывает, что по стеклу начинает бежать трещина. Чаще всего это заметно на лобовых стеклах автомобилей. Такая трещина, однажды начавшись, начинает сама собой расти, удлиняться, и рано или поздно стекло лопается пополам.

Почему так происходит? Почему растет трещина в стекле?

Мы помним уже из закона Гука, что если к предмету прикладывается сила, то предмет сжимается или растягивается. На резиновом шарике это хорошо видно. Но и, казалось бы, твердые предметы, такие как дерево, стекло, камень, тоже сжимаются или растягиваются. Только сдвиги эти настолько маленькие, что их незаметно на глаз.

Поскольку почти на любой предмет действуют разные силы одновременно (ну, хотя бы сила притяжения Земли), то в любом предмете внутри существуют напряжения. Если мы начнем ломать толстую палку об колено, то мы ее, может быть, и не сломаем. Но пока мы давим посередине коленом и тянем двумя руками за концы, в палке возникают сильные внутренние напряжения.

Так вот, что происходит, если в стекле возникла трещина? Внутри стекла всегда существуют напряжения. А трещина – это по сути своей ущелье с очень острым, невероятно острым дном.

Два края стекла, по сторонам трещины, чуть-чуть шевелятся и сдвигаются при воздействии разных сил. И вся мощь, вся сила этих краев словно два огромных рычага действуют на острие трещины, на ту точку, где эти два рычага сходятся.

Чтобы понять действие этих сил, проделаем очень простой опыт.

Возьмите две любые, достаточно длинные палки. Подойдут две швабры, например. Сядьте на стул, сдвиньте колени и засуньте между сжатыми коленями эти палки так, чтобы они уперлись в пол между ступнями. Теперь эти палки – боковые поверхности трещины в стекле, а ваши руки на них – действующие силы. Попробуйте развести палки в стороны и при этом, разводя их руками, старайтесь удержать их в прежнем положении коленями. Руки слабее ног, но вы легко раздвинете собственные колени этими палками. Удержать палки практически невозможно. Здесь работает правило рычага, выведенное еще великим Архимедом. Оба «рычага» сходятся в одной точке и создают невероятную силу, разрывающую стекло пополам. Теперь мы понимаем, что трещина буквально разрывается двумя рычагами под действием даже слабых сил, сотрясений, давления… Такие точки, как острие трещины, называются «концентраторы напряжений», и при конструировании приборов, деталей ученые стараются избежать возникновения таких точек.

Что же делать с трещинами?

Конечно, для стекол существуют разные клеи, которыми заливают трещину целиком… Но можно ли использовать законы физики, чтобы избежать распространения трещины?

Оказывается, запросто. Чтобы рычаги перестали работать, их надо развести в стороны, они перестанут рвать стекло в одной точке. Для этого в конце трещины просверливается маленькая дырочка. Она уничтожает острие, где сходятся боковые поверхности трещины, рычаги, и трещина перестает ползти дальше!

Единственное замечание, что для автомобильных стекол этот метод работает плохо. Дело в том, что стекла на лобовом стекле состоят из многих слоев. Трещины идут сразу по всем слоям, и просверлить дырочку так, чтобы попасть сразу во все трещины, обычно не удается. Приходится заклеивать клеем.