Микросекунды: 2. И всё-таки он движется!

Примеры явлений, которые происходят на микросекундных временах. 1. Стекло трескается под нагрузкой и покрывается сетью трещин. Изображение с сайта esrf.eu

В микросекундном диапазоне окружающий нас мир действительно может показаться скучным — но это лишь пока мы глядим на него в привычном масштабе. Как только мы обратимся к мелким деталям, порядка миллиметра и меньше, мир наполнится разнообразными процессами, которые мы обычно вообще не замечаем.

Примеры явлений, которые происходят на микросекундных временах. 2. В тонком проводке, через который идет ток, образуется и взрывается полость, и он перегорает. Изображение с сайта esrf.eu

Явления в твердых телах, разворачивающиеся на микросекундном масштабе, требуют, как правило, высоких давлений. Например, бокал из тонкого стекла при падении на твердый пол разбивается вдребезги за считанные микросекунды. В точке соприкосновения бокала с полом возникает и усиливается механическое напряжение в стекле, в какой-то момент оно порождает трещину, которая, ветвясь, разбегается по стенкам бокала со скоростью порядка скорости звука в стекле.

Разрушение упругих тел под нагрузкой может выглядеть по-настоящему красиво. Шикарные видеоролики на эту тему снимает и выкладывает в свой Youtube-аккаунт инженер и энтузиаст Дестин Сандлин (Destin Sandlin). Полюбуйтесь, как взрывается от удара стеклянная капля или как ломается изогнутая спагеттина! Эти явления поначалу кажутся совершенно загадочными, и лишь с помощью сверхскоростной видеокамеры, делающей сотни тысяч кадров в секунду, удается разобраться, что же происходит с веществом на масштабе в считанные микросекунды.

Пластичные твердые тела разрушаются иначе. Бронебойный кумулятивный снаряд, достигнув цели, взрывается и сплющивает внутреннюю металлическую оболочку. Под высоким давлением металл течет, из центра снаряда вырывается тонкая струя жидкого металла со скоростью около 10 км/с, и за 100–200 микросекунд она пробивает метр брони. Да что там бронебойный снаряд — обычная пуля в момент попадания в очень твердую мишень порождает в первые микросекунды миниатюрную взрывную волну и только потом расплющивается о стенку.

Немножко иные законы управляют поведением жидкостей. На масштабах в миллиметры и меньше самым главным эффектом является поверхностное натяжение. Оно разрывает струю на отдельные капли и заставляет их колебаться. При этом чем меньше характерный размер капель или струй, тем быстрее протекают соответствующие явления. Если для капельки воды размером миллиметр капиллярное время t_c составляет несколько миллисекунд, то капли микронных размеров колеблются раз в микросекунду и быстрее.

Мыльный пузырь лопается за несколько миллисекунд. Но если приглядеться к этому процессу повнимательнее, можно увидеть, что разорванная кромка пузыря, стягиваясь, порождает мельчайшие капельки, и образуются они за сотни, а то и десятки микросекунд. Одиночная капля воды, упав с небольшой высоты на несмачиваемую поверхность, будет очень медленно — по микросекундным меркам, конечно, — растекаться и потом собираться вновь. Но на каком-то этапе этого неторопливого процесса капелька может выстрелить вверх тончайшей струйкой воды. Эта струйка возникает при схлопывании микроскопического воздушного канала посреди капли, и весь процесс этот занимает десятки микросекунд.

Последовательные этапы вылета капельки чернил из сопла струйного принтера. Кадры отвечают временам 10, 20, ..., 80 мкс после начала действия нагревательного элемента. Изображение с сайта doc.utwente.nl

Столь же скоротечны и капиллярные процессы в струйном принтере. Микроскопическая капелька чернил резко нагревается и выстреливает из сопла картриджа. Такая банальная задача — поставить ровненькую микроскопическую кляксу на бумагу — разбивается на несколько этапов: вскипание микрообъема чернил, их расширение, вытекание из сопла, разрыв струйки чернил и отделение вылетевшей капельки. Размеры капель составляют десятки микрон, и потому типичное время «выстреливания» одной капли — десятки микросекунд. Поскольку быстрая и аккуратная печать совершенно необходима в современном мире, на доскональное изучение этого процесса во всех его мельчайших подробностях тратятся большие усилия (см., например, диссертацию, целиком посвященную математическому и физическому описанию этого процесса).