Рулоны рвутся по науке

Вы когда-нибудь пробовали оторвать упаковочную пленку от покрытия в виде полосочек? Как правило, линии отрыва сходятся, и в результате получается обрывок треугольной формы. Наверняка любители самостоятельного домашнего ремонта также замечали, что в случае неудачной поклейки обоев те обязательно отрываются от стены не по канту, и рано или поздно у вас в руках остается кусок бумаги треугольной формы.

Исследованию данного досадного феномена посвятила свои усилия международная команда исследователей из Национального центра научных исследований (CNRS) во Франции, Университета Сантьяго в Чили и исследователей Массачусетского технологического института (MIT) в США.

Педро Рейс, ныне сотрудник MIT, вдохновился этой работой вместе со своими чилийскими коллегами в ходе постоянного наблюдения треугольных ошметков от пластиковой обертки компакт-дисков, которые, по-видимому, регулярно распаковывал для записи и хранения научных данных.

Результаты исследования показывают: причиной ежедневных «обойных» неудач людей является вовсе не неумелость наших рук, а совокупное действие нескольких физических законов.

Подробный отчет о «проблеме обоев», как они её окрестили, ученые опубликовали на страницах Nature Materials.

Как показали предварительные работы исследователей, треугольный обрывок обоев, остающихся у декоратора помещений в руке при попытке отодрать старый слой бумаги, накрепко приклеенный к бетонному покрытию, – вещь абсолютно универсальная, явление наблюдается при всякой попытке оторвать кусок липкого покрытия (скотча ли, упаковочной ли ленты) от поверхности. Его даже можно наблюдать на живых объектах – опробуйте счистить тонкую кожицу с помидора или киви без помощи ножа – среди груды очистков вы будете наблюдать исключительно кусочки кожуры, имеющие более или менее треугольную форму.

Как показали дальнейшие исследования, на форму обрывков влияют три фундаментальных свойства адгезивных пленок: степень их эластичности, энергия адгезии (энергия необходима для отрыва единицы площади пленки от единицы площади поверхности при вертикальном отрыве) и энергия образования надрыва или трещины в покрытии. Исходя только из этих параметров пленок, ученые смогли создать математическую модель, способную с большой точностью предсказать угол в основании треугольного фрагмента, формирующегося при отрыве различных липких пленок.

Ученые также выявили физическую подоплеку формирования треугольных отрывов. В тот момент, когда лента под действием физического усилия начинает отрываться от поверхности, напряжение этого отрыва концентрируется в тонком и узком участке на границе уже оторванной части и части, еще подлежащей отрыву. В соответствии с принципом минимума энергии, система пленка-поверхность стремится уменьшить напряжение. Достичь этого можно двумя способами – собственно отрывом от поверхности и сокращением области отрыва.

Любой модельный эксперимент по отрыву пленки показывает, что природа не выбирает из этих вариантов какого-то одного.

Одновременный отрыв от поверхности – то, чего нам хочется – и сокращение области отрыва – что нас так раздражает – позволяют плёнке достичь наименьшего напряжения. И перекладывают напряжение на нас.

Ученые отмечают, что их исследование – больше чем развлечение ученых мужей. Так, оно может найти применение в промышленности для расчета одного из трех параметров (энергии адгезии, эластичности пленки или энергии формирования разрыва) при двух других известных. Например, характеризация традиционными инструментальными методами подобных свойств тонких микронных пленок, применяемых в сфере эластичных микроэлектронных схем, представляет большую трудность.

В то же время, форма обрывков неклейких материалов в ходе лабораторных экспериментов часто оказывалась далека от треугольной, и предсказать поведение таких разрывов ученым оказалось сложнее. Отсутствие ограничения энергии адгезии в данном случае, по словам специалистов, высвобождает в системе лишнюю степень свободы, а потому предсказание поведения разрыва в ходе приложения дальнейшего усилия в ряде простых моделей не представляется возможным. Потому, собственно, ученые и ограничились только клейкими материалами.

Впрочем, исследование физиков оказалось не так далеко от лирики. Многим ценителям искусства наверняка будет любопытно познакомиться с творчеством французского художника Жака Виллегля, составляющего свои произведения из таких же треугольных обрывков афиш и плакатов, оторванных автором на улицах Парижа и других крупных французских городов.

Подобные исследования, по словам Рейса, не только любопытное приложение фундаментального физического и технического знания в ключе повседневного опыта. Оно также может быть расценено как легкий к восприятию и в то же время сложный, с фундаментальной научной позиции, стимул к изучению естественных наук – например, для школьников, только начинающих познавать закономерности окружающей действительности.