Vedci vyriešili 100-ročnú záhadu gumy. Konečne vieme, prečo pneumatiky unesú aj plne naložené lietadlo
Vedci vyriešili 100-ročnú záhadu vystuženej gumy a vysvetlili, prečo je taká odolná. Objav môže pomôcť pri vývoji lepších pneumatík, tesnení aj bezpečnejších materiálov.
Používaš ju takmer denne, berieš ju ako samozrejmosť, ale zamyslel si sa niekedy nad tým, ako vlastne funguje? Reč je o gume, presnejšie o vystuženej gume. Vedci dlhé roky poznali jej výnimočné vlastnosti, no presné vysvetlenie, prečo je taká odolná, chýbalo. Nachádza sa prakticky všade, v letectve, automobiloch, priemysle aj v bežných domácich predmetoch.
Vystužená guma je súčasťou kritických systémov, od energetiky až po kozmonautiku. Keď takýto materiál zlyhá, následky nemusia byť len nepríjemné, ale aj katastrofálne. Pripomína to napríklad havária raketoplánu Challenger v roku 1986, pri ktorej zohralo kľúčovú úlohu gumové tesnenie, ktoré v nízkych teplotách stratilo svoje vlastnosti.
To, ako tento materiál v skutočnosti funguje, sa výskumníkom podarilo objasniť až pomerne nedávno. Presnejšie tímu vedenému profesorom Davidom Simmonsom z College of Engineering na USF, ktorý zmenil starú materiálovú záhadu na konkrétne vedecké vysvetlenie. Vedcom sa podarilo objasniť, čo sa deje, keď sa do mäkkej gumy pridajú drobné častice uhlíka známe ako carbon black. Ide v podstate o špeciálnu formu sadzí, ktoré však v materiáli nerobia len farbu. Práve tieto častice premieňajú pružnú gumu na materiál, ktorý dokáže znášať obrovské zaťaženie, napríklad v pneumatikách plne naloženého lietadla. Výsledky výskumu publikovali v prestížnom vedeckom časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.
Vedci konečne pochopili, ako funguje vystužená guma
Podľa vedcov je až prekvapujúce, že technológia používaná tak dlho fungovala skôr na základe pokusov a omylov než presného pochopenia. Výrobcovia mali k dispozícii rôzne typy uhlíkových častíc a ich výber bol často otázkou experimentovania, nie presnej vedy. Inými slovami, priemysel vedel, že to funguje, ale nie úplne prečo.
Tentoraz preto výskumníci pristúpili k problému inak. Vytvorili rozsiahle počítačové simulácie, ktoré napodobňovali správanie materiálu na úrovni atómov. Celkovo realizovali približne 1 500 simulácií, čo zodpovedá asi pätnástim rokom výpočtového času. Neznamená to, že jeden počítač bežal pätnásť rokov bez prestávky, ale že takýto objem práce by pri bežnom výpočte trval mimoriadne dlho. Vďaka tomu dokázali spojiť viacero dovtedy konkurenčných teórií do jedného uceleného vysvetlenia.
Neprehliadni
Cesta k tomuto objavu nebola vôbec priamočiara. Počiatočné modely nezodpovedali experimentálnym dátam, preto vedci postupne zapracovali poznatky z predchádzajúcich výskumov. Až potom sa im podarilo vytvoriť model, ktorý verne opisuje správanie reálneho materiálu.
Kľúčom sa napokon ukázal jav nazývaný nesúlad Poissonovho čísla. Ak nevieš, čo to znamená, ide o vlastnosť, ktorá opisuje, ako sa materiál správa pri natiahnutí. Keď natiahneš obyčajnú gumičku, predĺži sa, ale zároveň sa stenčí. Tak si guma do veľkej miery zachováva svoj objem.
Lenže keď sú v nej pridané častice carbon black, tento prirodzený pohyb sa naruší. Uhlíkové častice bránia tomu, aby sa materiál pri natiahnutí stenčil tak, ako by to spravil normálne. Guma sa preto dostane do zvláštnej situácie. Na jednej strane sa chce pri ťahu natiahnuť a zúžiť, na druhej strane jej v tom bránia pevné častice vo vnútri. Výsledkom je akýsi vnútorný boj materiálu samého so sebou. Práve tento odpor spôsobuje výrazné zvýšenie pevnosti a tuhosti.
Môžu byť vďaka tomuto objavu pneumatiky lepšie?
Zaujímavé je, že nová teória nepopiera staršie vysvetlenia. Naopak, ukazuje, že všetky mali čiastočne pravdu. Sieťovanie častíc, ich „lepivé“ interakcie aj samotné zapĺňanie priestoru zohrávajú svoju úlohu. Každý z týchto faktorov prispieva k výslednému efektu, no až ich kombinácia dáva kompletný obraz.
Výrobcovia pneumatík sa dlhodobo snažia nájsť rovnováhu medzi tromi vlastnosťami. Ide o spotrebu paliva, priľnavosť a životnosť. Problém je v tom, že zlepšenie jednej vlastnosti často zhorší ostatné. Pneumatika môže mať skvelú priľnavosť, ale rýchlejšie sa opotrebuje. Alebo môže vydržať dlho, no nemusí poskytovať taký dobrý záber na mokrej ceste. Práve preto bol vývoj pneumatík doteraz do veľkej miery drahý, zdĺhavý a plný testovania.
Vďaka tomuto objavu by mohol byť návrh nových pneumatík presnejší. Výrobcovia by sa nemuseli spoliehať len na metódu pokusov a omylov, ale mohli by cielene upravovať zloženie materiálu podľa toho, aké vlastnosti potrebujú dosiahnuť. V budúcnosti by tak mohli vzniknúť pneumatiky, ktoré budú odolnejšie, bezpečnejšie a zároveň úspornejšie.
A nejde len o autá. Rovnaký princíp sa týka tesnení, hadíc, priemyselných súčiastok, energetických systémov či leteckej techniky. Guma pôsobí ako jednoduchý materiál, ktorý si väčšina ľudí ani nevšimne. No práve takéto nenápadné súčiastky často rozhodujú o tom, či celý systém funguje bezpečne, alebo zlyhá v najhoršej možnej chvíli.
