В комментариях под предыдущим постом на хабре справедливо заметили, что, технически, щиты Уиппла с использованием кевлара вышли за пределы лаборатории и летали, например, на аппарате Джотто.

К сожалению, это не отменяет основного тезиса статьи — что человечество очень мало понимает в некоторых вещах, которые само и создало. Для сравнения давайте посмотрим на еще одну историю, про откольные тарелочки.

На этот раз, с хорошим концом.

Итак, мы снова проваливаемся на 80 лет назад, на этот раз к танкам. К концу Второй Мировой броню делали все толще и толще, и проблемы, которые до этого видели только немногие исследователи, начали вылезать повсеместно.

Представьте себе танк, который стоит себе в поле после боя. Броня целая, дырок нет, но не двигается и вообще признаков жизни не подает. С одной стороны — отличный трофей. С другой стороны — а почему экипаж погиб и безопасно ли туда теперь своих людей сажать?

То есть ожидали примерно такое.

А увидели примерно такое, как на следующем фото. Даже если снаряд не пробивал броню, с внутренней стороны могли откалываться плоские диски стали — «тарелочки» — которые имели достаточную скорость, чтобы легко вывести из строя личный состав танка.

Но тут плохо видно, давайте лучше посмотрим в разрезе и по шагам.

Выглядит как какая-то чертовщина, но все не так уж сложно. Разбираться в деталях лучше с помощью видоса, в котором моделировались упругие волны при столкновении двух плоских дисков. Один сверху и потоньше (ударник), второй снизу и потолще (мишень).

Это видео стоит посмотреть несколько раз, рассматривая детали, а я подскажу, на что точно стоит обратить внимание.

При столкновении двух дисков из одинакового материала в них обоих начинают распространяться упругие волны. Цветом нарисован модуль скорости, синий — неподвижный материал, красный — быстрый, белый — наполовину быстрый.

Та часть, что идет вверх — в ударник — отражается от его верхней границы и идет вниз. В итоге, в мишень попадает волна толщиной в два ударника.

Эта волна ползет вниз, к тыльной поверхности мишени, и начинает с ней взаимодействовать. Передний край волны отражается и начинает идти вверх. Он складывается с «хвостом» волны, и скорость в этой области становится двойной. Примерно такой же, как была вначале у ударника.

В какой-то момент волна сложится ровно пополам, и для материала будет ощущаться, как будто его кусок резко дернули вниз. По этой линии он и откалывается.

Если говорить немного более строго, то изначально у нас вверх и вниз шли узкие фронты волн сжатия — тонкие линии на краях той волны, за которой мы наблюдали. Волна сжатия при отражении от свободной границы превращается в волну растяжения, и поэтому волна, которая потом пошла вниз через мишень — это совокупность волны сжатия, бегущей первой, и волны растяжения, бегущей за ней. Потом эта волна сжатия и сама тоже отразилась от свободной поверхности, превратилась в волну растяжения и пошла обратно вверх. А разрушение произошло там, где эти волны растяжения наложились друг на друга, потому что там получилось двойное растяжение.

Из интересного можно заметить, что почти вся упругая волна осталась запертой внизу, внутри откольной тарелочки. То есть этот кусочек материала отлетит с очень высокой скоростью, почти такой же, какая была у ударника. Да, часть энергии потеряется на разрушение и немного разлетится в стороны, но в основном сработает тот же принцип, что и у шаров Ньютона. С одной стороны шарик прилетел, с другой отлетел.

Лучше всего откол получается, если поверхности идеально плоские, материалы совпадают, и в них нет дефектов типа пор или микротрещин. Поэтому в лабораторных условиях поймать эффект бывает непросто. Широко известный в узких кругах ученый Канель его ловить умел, причем даже в таких прикольных штуках, как сапфир.

За пределами лаборатории, впрочем, это дело встречалось чаще. В случае старых танков бывало достаточно куска брони, который неудачно прилетел плашмя. Да и не особо плоский ударник тоже может при определенных условиях что-то сзади отколоть — не тарелочку, так облако осколков, тоже ничего хорошего. В англоязычной литературе для этого даже используют один и тот же термин spallation.

А если вы видите термин antispalling — это что-то, чтобы все эти осколочки ловить. Слои какой-нибудь вязкой пакости типа полимера, например.

Как вы поняли, за объяснением эффекта мы уже выбрались далеко за временной диапазон Второй Мировой. Про тыльный откол писали еще в контексте испытаний брони Т-34 в 1939 году, но тогда оказалось достаточно повысить «вязкость разрушения металла» — то есть количество энергии, которое поглощается при разрушении.

Этого достигают разными способами изготовления металлической детали: бывает литье, бывает ковка, бывает прокат. Тут мы рискуем упасть в кроличью нору материаловедения, на самом деле, потому что металлы не так просты, как притворяются в быту. Там бывает и анизотропия (разные свойства вдоль разных направлений), и управляемый рост кристаллов, и детективные истории, как несколько самолетов зарезали канцелярским ножом… Так, кхм, не отвлекаемся.

В концу Второй Мировой, как я уже говорила, проблема тыльного откола стала массовой, и на нее напали со всех сторон. И физики, и материаловеды, и инженеры. Сейчас сложно откопать концы, кто первым объяснил этот эффект, его обычно упоминают как общеизвестный. В цехах по ударной прочности, бывает, целые стенды с разными красивыми отколами развешаны. Двойными, под углом, из разных материалов. Как трофеи.

Отколы исследовали на самых первых численных моделях и ламповых ЭВМ размером со спортивный зал. Даже простые одномерные модели распространения волн (на оси удара) довольно много рассказали о том, почему откол происходит и как с ним бороться. Как проектировать броню, какие слои делать. Придумали разнесенные преграды, активную броню — чего только не придумали.

Поэтому сейчас сложно представить, что кто-то стал бы делать броню для танка, не зная ни об отколах, ни о причинах их возникновения. Инженерные конструкции придумывают разные, но главное, на чем они базируются — хорошее, глубокое понимание того, как работает этот конкретный эффект, который поначалу казался чертовщиной.

В двадцать первом веке исследования по этой теме все еще продолжаются, и ученые копают как новые материалы, так и новые детали старых. Например, Канель и его сапфиры — это 2010 год.

А вот эта картинка показывает эффект откола на космических скоростях (в ютубе можно нереально красивые видосы найти по ключевому слову hypervelocity). Шарик был диаметром 1.2 см, а скорость — 6.8 км/сек. То есть почти первая космическая, на такой скорости вполне можно столкнуться с космическим мусором. Про шарик я говорю «был», потому что шарик на фото положен новый для масштаба. А тот, что сделал дырку, размазан тоооненьким слоем по дну кратера.

И вот еще красивого покажу. Помимо космического фронтира, отколы еще изучают, избивая разные предметы лазером и прочими последними достижениями науки и техники. Вот тут — откол в оргстекле после удара пучком электронов на релятивистской скорости (то есть какие-то ощутимые проценты от скорости света).

На фотографии мы видим три области разрушений. Одна сверху — с этой стороны был удар. Еще одна снизу — это классический откол. Третья посередине — розетка трещин, вокруг которой прозрачный, неразрушенный материал.

Сверху, со стороны удара, даже ямки не было. Только немного обуглившаяся и неровная поверхность. Пучок электронов был настолько коротким, что даже не проник в материал — он выбил из него облачко плазмы и на том закончился. А вот горячая плазма уже начала расширяться и пихнула остальное оргстекло примерно с тем же эффектом, что сделала бы плоская пластинка. Фронт волны оказался достаточно ровным, чтобы сделать с тыльной стороны аккуратный откол.

Третья часть разрушений — это розетка трещин. На фото было сложно поймать, но она была очень красивой, как застывший цветок.

Выглядит особенно эффектно, если посмотреть расчет со сниженной прочностью мишени, да еще и в разрезе. Откольная тарелочка тут внизу, она растрескается и отлетит. А розетка трещин — это вот та большая штука наверху, где трещины расходятся в стороны и вниз отдельными иголочками.

Прочность и разрушение материалов — это очень красивая и далеко не такая закрытая область науки, как это кажется со стороны коллегам ученым. Стоит хоть немного зацепиться за картинки, эффекты, начать искать объяснения, как она затягивает и подкидывает сюрпризы за сюрпризами.

Тыльный откол, он же Ньютонов шар-убийца, уже давно известен и понятен всем прочнистам. Когда-то его штурмовали самые крутые механики того времени — и со стороны теории, и со стороны самой практической практики на танках. А сейчас он стал фундаментом, на котором строятся и стандарты для готовых технологий, и наброски новых.

Вот еще красивые расчеты, которые делал мой студент. По таким можно исследовать, как в мишени бегают упругие волны, и как меняется откол в зависимости от формы ударника. Все очень наглядно.

Тут откола нет.

А тут почти такой же ударник боком прилетел, и сразу что-то откололось.

В сравнении с таким уровнем понимания, наука о прочности кевлара еще находится на первой стадии. Да, люди что-то делают, и давно, и многое уже понятно, но сказать, что мы научились управлять всеми важными эффектами и свойствами — ну нет, еще явно рановато. Слишком много внезапных приколов случается даже на рядовых испытаниях. Поэтому вопрос продолжают штурмовать, постепенно накапливая библиотеку знаний.

А почему космический аппарат Джотто летал с матрасиком из кевлара еще 40 лет назад, но мы до сих пор чёт не уверены, как этот матрасик работает — это уже повод для отдельной дискуссии с привлечением маэстро Лема.

Автор: Катерина Беклемышева

Оригинал