При изучении метрологии ученикам показывают так называемые плоские концевые меры. Это прямоугольные металлические брусочки, которые соединяются друг с другом если произойдёт их простое соприкосновение.
При этом сами металлические бруски магнитными свойствами не обладают. Как это может работать и почему металлы прилипают друг к другу? Дочитайте статью до конца и узнайте, почему такой физический процесс возможен.
Когда бруски входят во взаимодействие, по ощущениям получается нечто типа магнитного взаимодействия. Объекты всё также тяжело разъединить, а ощущения появляются как будто бруски именно притянуты друг к другу неведомой силой. Происходит прилипание металла.
Этот процесс взаимодействия двух металлических поверхностей очень интересен. Сразу отметим, что любой материал может вот так вот соединиться при грамотном его соединении, но высокая шероховатость поверхности и более низкая энергия частиц не дают настолько быстро и эффективно образцам слипаться друг с другом, если они не металлические.
Как срастаются железяки?
Для лучшего понимания процесса разбираться начнём издалека. Вспомните, как в детстве можно было найти пару ржавых железяк, которые буквально срослись друг с другом. Современные дети, увы, вряд ли найдут такое во дворах, как это могло находить наше поколение, но такое вполне можно найти у бабушки в деревне или ещё где-то. Но суть здесь ни в том :)
Для нас важно вспомнить, как будут выглядеть железяки, которые долгое время находились во взаимодействии друг с другом, испытывая при этом механическое давление, вызванное сжатием двух деталей болтом. Они буквально срастаются друг с другом! Пытаешься их разъединить и видишь, что произошло что-то типа сварки. Если конструкция совсем старая, то невозможно даже понять, где начинается одна деталь или заканчивается вторая. Просто видим единое ржавое целое.
Механизм тут отчасти наблюдается тот же самый, который мы видим и при прилипании металла в плоских концевых мерах. В случае прилипания ещё действует одна важная сила, которая в ржавых железках работает совсем иначе.
Есть такая штука, которая называется диффузия. Это взаимное перемешивание частиц, из которых состоит тело или вещество. Обычно всех удивляет, что подобный процесс протекает как газах или жидкостях, так и в твердых телах.
Когда мы говорим про приржавевшие друг к другу железки - диффузия тут основное объяснение их взаимного проникновения друг в друга. Если посмотреть срез такого соединения под микроскопом, то мы увидим как слои деталей перемешались подобно слоеной шоколадной пасте. В результате образовались силы взаимного атомного взаимодействия. Частицы детали А стали притягивать частицы детали Б и образовали в итоге единое целое, а помогло им образовать такие связи появление диффузионного перемешивания.
Механизм прилипания
Теперь посмотрим на плоские концевые меры. Они отличаются от ржавых железяк. Поверхность каждой отполирована и имеет незначительную шероховатость.
Если в первом случае, где мы говорили про старые детали, диффузия активировала в итоге силы атомного взаимодействия, то в случае концевых мер процесс обратный.
Поскольку их поверхность идеально гладкая, а между двумя образцами ничего лишнего не оказывается, то при сведении таких штук вместе и предварительном нажиме частицы одного образца начинают притягивать частицы другого образца. Именно это ощущается как магнитное взаимодействие при попытке разъединить меры. Если же их оставить соединенными на некоторое время, то начнется диффузия и иногда на плоских мерах, которые забыли соединенными в лаборатории надолго, видны следы взаимной диффузии. Они начинают прорастать друг в друга подобно дереву, которое пускает корни.
Основной фактор, который позволяет заработать механизму - возможность "поднести" частицы одного металла близка к частицам другого. Это возможно благодаря хорошей полировке и специфике самих металлических атомов. Напротив, именно это обстоятельство ограничивает использование методики, например, на деревянных брусках. А вот в случае некоторых полимеров штука вполне рабочая. Например, существует такая вещь, как тонировка на статике или защитное стекло на экране, которое держится на статике. Несмотря на то, что там не совсем-таки межатомные взаимодействия, логика работы примерно такая же. Одни частицы начинают притягивать другие, пользуясь электрическими явлениями.
Вполне разумно задать вопрос - если всё так хорошо работает, почему бы именно этот механизм не использовать для соединения металлических образцов. Сложность в том, что так прилипнуть могут только подготовленные плоские образцы. Кроме того, "сила прилипания" будет явно недостаточна, чтобы обеспечить столь прочное соединение. Всё-таки мы не можем настолько близко свести частицы, чтобы вместо прилипания иметь некое подобие сварки.
Прилипание металла в космосе
Между тем, ситуация резко меняется в космосе. Там даже появился специфический термин для описания таких казусов. Он называется "холодная сварка". И речь не про эпоксидную смолу с металлической стружкой.
Холодная сварка в космосе происходит примерно по тем же причинам, что мы обозначали выше. Вот только отсутствие многих агрессивных факторов, которые мешают процессу на Земле, делают её там даже не явлением, о котором интересно знать, а настоящим проклятием.
Свободные частицы металлов рады стараться и в условиях отсутствия давления, появления оксидной пленки на поверхности и вспомогательного гравитационного притяжения, которое имеет место между металлическими образцами, образуют прочнейшие соединения. Так можно приварить самые ненужные детали. Скажем, молоток к двери :) Подобные "приколы" часто приводят к аварийным ситуациям на космической станции.
Пожалуйста, подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Сейчас это очень важно для выживания проекта!
Статьи по теме на моем канале:
Ещё кое-что полезное:
- Путеводитель по научно-популярным каналам ДЗЕНа: смотрите здесь
