Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Мы опробовали по очереди каждый из трех способов. В работе с расплавленным стеклом меня больше всего восхитило то, как быстро изменяется его природа. При извлечении из печи капли расплавленного стекла вы должны продолжать вращать стальной стержень, так как действительно имеете дело с жидкой субстанцией: прекратите вращение, и капля стекла просто сорвется на пол. Через пару минут мы раскатали стеклянный шарик на металлическом рабочем столе, при этом у нас сложилось впечатление, что стекло приобрело консистенцию пластилина. Еще через три минуты, постукивая этим шариком по металлическому столу, мы могли услышать звук «дзынь», который обычно слышим, когда постукиваем металлической чайной ложечкой по стеклянному стакану. Замечательная особенность стекла – возможность работать с ним в расплавленном состоянии, пользуясь такими свойствами, как плавность и криволинейность форм, которые можно создавать из жидких материалов. Твердый холодный кусок стекла – всего-навсего жидкость, которая когда-то внезапно застыла как заколдованный сказочный персонаж.

Специфические свойства стекла обусловлены особенностями движения его атомов по отношению друг к другу. Самая распространенная форма стекла (именно с ней мы экспериментировали в стеклодувной мастерской) на основе так называемой натровой извести. Такое стекло состоит главным образом из кремнезема (двуокись кремния SiO2, которая составляет основу песка) с вкраплениями натрия, кальция и алюминия. Отличительная особенность стекла – вместо атомов, занимающих строго определенные места в регулярной кристаллической решетке, его атомы хаотически перемешаны между собой. Каждый атом связан с соседними атомами, и между ними не так уж много свободного пространства. Когда стекло нагревается, атомы раскачиваются более энергично и несколько расходятся в стороны, а поскольку изначально они не находились в строго определенных позициях, то без проблем скользят относительно друг друга. Расплавленное стекло, которое мы доставали из печи на концах стальных стержней, состояло из атомов, получивших большой запас тепловой энергии, что позволяло им легко скользить относительно друг друга под действием силы земного притяжения. Но по мере охлаждения стекла подвижность его атомов снижалась, они сближались и жидкое стекло становилось более вязким.

Особенность расплавленного стекла заключается в том, что, когда оно остывает, атомам не хватает времени, чтобы занять строго определенные места (как в лотке для яиц) и образовать регулярную структуру. Стекло затвердевает, когда его атомы становятся слишком пассивными, чтобы продолжать двигаться относительно друг друга. Трудно точно сказать, где в действительности пролегает граница между жидким и твердым состоянием.

Первое задание заключалось в изготовлении «побрякушки». Это означало, что нам предстоит выдуть стеклянный пузырь, а затем наблюдать за тем, как мастер прикрепит к нему колечко из расплавленного стекла. Выдуть стеклянный пузырь оказалось не так-то легко: мои щеки потом ныли так, словно мне пришлось надувать чрезвычайно неподатливый воздушный шар. Самый сложный момент наступает в конце выдувания, когда от стального стержня нужно отделить оставшуюся часть стекла. Вы вытягиваете и формуете стекло так, чтобы в месте, где собираетесь отделить стеклянный пузырь от стального стержня, оставалась лишь тонкая шейка. Затем немного пропиливаете ее, чтобы создать в ней мельчайшие трещины. После этого переносите стеклянный пузырь на так называемый отбивочный стол и слегка постукиваете по стальному стержню, в результате чего стеклянный пузырь отделяется от него. Выдутые нами стеклянные пузыри превосходно отделялись до тех пор, пока мы не добрались до последнего из них: сделанные нами трещины оказались настолько глубокими, что отбивать пузырь не пришлось – он сам отвалился от стального стержня, упал на бетонный пол и подскочил. Дважды! Мастер быстро подхватил его на лету. Но этот хрупкий стеклянный шарик подскочил после удара о бетонный пол. Можно не сомневаться, что если бы он упал на пол примерно через минуту или чуть позже, когда еще немного охладился бы, то разбился бы вдребезги.

Это было для нас наглядным уроком по изучению свойств стекла. То, как ведут себя его атомы, зависит от температуры стекла. Когда оно нагрето до высокой температуры, атомы свободно скользят относительно друг друга. Если охладить стекло настолько, что оно перестанет быть липким, его атомы уплотнятся и перестроятся таким образом, что стеклянный шарик, упав на бетонный пол, может отскочить от него. Если стекло охладить еще больше, атомы жестко зафиксируются на своих местах. Если какой-либо из этих атомов слегка сместить с занимаемого места, в хрупком стекле образуется трещина и оно может разлететься на мелкие острые кусочки.

Стекло – удивительный материал. Оно заключает в себе пластическую прелесть жидкости, при этом вам не нужно беспокоиться о том, куда она потечет. Оно имеет атомарную структуру жидкости – будучи весьма дезорганизованной субстанцией, – но в то же время все признаки твердого тела. Способность отскакивать от твердых поверхностей – один из таких признаков: упругостью обладают твердые тела, но не жидкости. И вы можете видеть последствия наличия подобной структуры, наблюдая за поведением материала при изменениях температуры.

Наверное, настало время развенчать некоторые мифы, касающиеся старых стеклянных окон. Иногда говорят, что трехсотлетние стеклянные окна толще внизу, чем вверху, потому что со временем стекло «стекает» вниз. Это не так: стекло не жидкость и потому не может течь куда бы то ни было. Дело в том, что эти оконные стекла изготавливались весьма своеобразным способом. Шарик расплавленного стекла подхватывали стальным прутом, который очень быстро вращался. В процессе вращения жидкое стекло растекалось в стороны, образуя плоский диск[58]. Диск охлаждался, и затем из него вырезали оконное стекло. Недостаток метода состоял в том, что ближе к центру диск получался толще. Поэтому ромбообразные оконные стекла вырезали таким образом, чтобы утолщение оказывалось на одном из концов, а стекло чаще всего вставляли в раму так, чтобы утолщенный конец находился внизу (это способствовало стеканию дождевых капель с окна). То есть стекло отнюдь не «стекало» вниз, образовывая утолщение. Утолщение находилось внизу изначально!

Нашим стеклянным шарикам не позволили охладиться сразу же и поместили на ночь в печь для того, чтобы их температура снижалась постепенно, в течение всей ночи, пока не сравняется к утру с комнатной. Дело в том, что в первый момент отвердевания стекла позиции его атомов не будут строго фиксированными. Если нагреть такое стекло, позиции атомов несколько изменятся, даже если температура нагрева будет недостаточной для перехода стекла из твердого состояния в жидкое. То же самое происходит при охлаждении стеклянных шариков: позиции атомов несколько меняются. Помещая стеклянные шарики в печь на ночь, мы создаем условия, чтобы это небольшое изменение позиций атомов произошло медленно и равномерно по всей структуре. При быстром и неравномерном протекании процесса несбалансированные внутренние силы разрушили бы стекло. Повторю еще раз: эти дополнительные внутренние напряжения – результат действия очень простого принципа, который гласит, что позиции атомов могут быть фиксированными, но расстояния между соседними атомами таковыми не являются. При нагреве стекло почти всегда расширяется.