ТЕЧУТЬ ЧИ шибки?
Звичайне віконне скло за своїм будовою не кристалічна речовина, а рідина, тільки дуже в'язка. Лише при сильному нагріванні скло починаючи-ет помітно текти. При цьому температури плавлення, яка характеризує тіла кристалічної будови, у скла не існує: розм'якшення в міру підвищення температури відбувається поступово. Речовини з подібними властивостями так і називаються - скло-подібні, або просто скла.
Однак до сьогоднішнього дня ніхто не помічав, щоб віконне скло сте-кало в сторону підвіконня. Якби скло хоч найменшою мірою було текучим, люди не могли б будувати з-тимчасові потужні оптичні теле-скопи, такі, наприклад, як найбільший в світі телескоп в чилійській пустелі Атакама, названий «Дуже великим оптичним». Діаметр його дзеркала 8,2 м. Точність шліфування дзеркала виключно висока, найменші деформації скла неприпустимі.
З іншого боку, при досліджень-ванні середньовічних вітражів, изготов-них з кольорового скла, з'ясувалося: в нижній частині вони товщі, ніж в верх-ній. Деякі вчені зробили висновок, що це наслідок дуже повільного, на протязі багатьох століть, течії сте-кла під дією власної ваги, і навіть запропонували використовувати дан-ве властивість для встановлення време-ні виготовлення старовинних стекол. У хіміків існувало повір'я, що довгі скляні трубки і палички можна довго зберігати у вертикальному положенні, так як вони поступово через згину. Про це можна було інші:-тать ще на початку XX ст. в книзі відомого-ного німецького вченого, лауреата Нобелівської премії з хімії Віль-Гельма Оствальда (1853-1932) «Фізі-ко-хімічні дослідження».
Англійський дослідник Роберт Джон Релей (1875-1947), син прапора-того фізика, Нобелівського лауреата Джона Вільяма Релея, вирішив перевірити ці твердження експериментально. Така перевірка зазвичай пов'язана з изме-ренієм в'язкості: знаючи в'язкість, можна розрахувати величину деформації, на-приклад, за 10 або 100 років.
В'язкість - властивість рідини (або газу) чинити опір переміщенню окремих шарів один щодо відповідності-но одного, а також переміщенню твердо-го тіла, поміщеного в рідину. У Міжнародній системі одиниць (СІ) в'язкість має розмірність Па • с, але на практиці поширена поза-системна одиниця в'язкості пуаз (П): 1 П = 0,1 Па • с. Вона названа на честь французького фізика Жана Луї Пуазейля (1799-1869), який вивів форму-лу для об'єму рідини V, що протікає за час г по трубі з гладкими стінка-ми довжиною l і діаметром R при різниці тисків на кінцях труби р: V = prtR ^ 4 / 8hl, де h - в'язкість рідини.
Однак виміряти в'язкість скла при кімнатній температурі Релей не міг. Оцінки, засновані на визна-лення в'язкості розігрітих вище 500 ° С
стекол, дають для 20 ° С значення тисячі двадцять одна П. Для порівняння: в'язкість води при 20 ° С дорівнює 0,01 П, гліцерину - 15 П, смо-ли - приблизно 108 П. Звідси сліду-ет, що скло в 10 трлн. раз більше в'яз-кая рідина, ніж смола.
У 1923 р Релей провів наступний досвід. Він взяв скляний стрижень довжиною близько 1 м і діаметром 5 мм, помістив його в горизонтальному положен-ванні на два штиря, вбитих в цегляну стіну, так, щоб стрижень спирався на них тільки своїми кінцями. До центру стрижня був підвішений вантаж масою 300 г. (Як потім з'ясувалося, ця на-вантаження становить приблизно третину від максимальної: точно такий же стрижень ламався від навантаження трохи більше 1 кг.) Пол вагою вантажу стрижень сра-зу прогнувся на 28 мм в центральній частині. І протягом семи років це зна-ня практично не змінювалося. До 1930 р коли досвід завершився, провисання стержня під навантаженням збільшилася ще всього на 1 мм, причому це зраді-ня в положенні вантажу щодо стіни відбулося в перші три роки і було викликано швидше за все деформації-їй самій стіни.
При оцінці результатів цього опи-та не слід забувати, що навантаження б-ла близька до граничної і в десятки разів перевищувала вагу самої трубки. Та й досвід тривав чимало часу.
А головне - більш пізні експери-менти показали, що подібна дефор-мація не є результатом в'язко-го перебігу скла.
Це довів той же Спенсер. Він на-мотав тонкі скляні нитки на труб-ку діаметром 2 см і витримав їх в та-кому стані протягом тривалого часу при невеликому підігріві. Коли нитки зняли з трубки, вони оказа-лись вигнутими по дузі радіусом око-ло 60 см. Однак коли їх помістили на поверхню ртуті, де практично немає тертя, нитки стали випростатися - спочатку швидко, потім повільніше. Якби деформація була результатом тече-ня скла, нитки ніколи б не випрямися-мілісь!
Причину залишкової деформації скла з'ясували лише на початку 50-х рр. Виявляється, в ньому під впливом на-Грузьке відбувається повільна Діффі-зія катіонів Na +, яких в звичайному склі багато. Після зняття навантаження ці катіони поступово повертаються до вихідного положення, і в кінці кон-цов скляне виріб знову приймається-ет колишню форму.
Отже, досліди дали однозначну ре-зультат: скло не тече під навантаженням і тим більше під дією власне-го ваги.
Чому ж тоді скляні труб-ки дійсно нерідко мали замет-ний вигин, а старовинні скла потовщені в нижній частині?
Спенсер знайшов цього досить правдоподібне пояснення. До того як в самому початку 20-х рр. XX ст. був
введений машинний спосіб витягування скляних трубок, цю роботу робили вручну. Але і самий вправний скло-дув не міг отримати ідеально пряму трубку завдовжки до 1 м і більше. У лабо-торії скляні трубки зберігали (та й зараз часто зберігають) в вертикаль-ном положенні в спеціальних стійках де-небудь за шафою в кутку. Хіміки, зрозуміло, прагнули вибирати для себе трубки поровнее, і таким чином відбувалася природна відбраковування вигнутих трубок. Так з'явився (і так-же увійшов до деяких підручники) міф про самоізгібаніі трубок.
Тепер кілька слів про середньо-вікових вітражах. Тут причина нерівномірної товщини скла ще цікавіше, і пов'язана вона з старин-ної технологією виготовлення шибок. Майстерний склодув набирав на кінець трубки великий, кілограма на чотири, шматок розм'якшеного стек-ла і видуває з нього міхур, який потім сплющував. Виходив на удив-ня однорідний (для ручної роботи) диск діаметром метра півтора, з на-пливу по краях. З цього диска і нарізали (від центру до країв) вузькі скла для вітражів. З одного боку (там, де був край диска) вони були трохи товщі, і при установці тако-го шматка в віконний палітурка його, як правило, размешали товстої частиною вниз. Через століття, коли стародавня технологія виготовлення віконного скла була давно забута, виникла думка, що потовщення внизу скла - це ре-зультат його стікання.
* Плавлення - процес переходячи твердого вещест-ва в рідину. Зворотний процес називають кристал-лизацией з рідкої фази (розплаву).
Будова кристалічного (1) і аморфного (2) речовини.