Техника - молодёжи 2008-09, страница 29

Если бы дело так и обстояло, то ткани живых существ, обитающих на дне морском, должны были бы по своей прочности не уступать стали! Иначе высоким давлением их просто бы расплющило. Несть числа теоретическим работам, в которых количественные оценки механического поведения вещества в земных недрах по существу основаны на такой же логике.

Но как тогда быть со следующим фактом?

Из повседневного опыта мы знаем: ткани глубоководных рыб также нежны, как ткани рыб пресноводных. Они ничуть не прочнее. Морской окунь если и отличается от речного, то только по вкусу, а не по прочности тканей. Вывод очевиден: по каким-то причинам глубоководная рыба не испытывает на себе того давления, которое свойственно глубинам, где она обитает. Притом она его не чувствует не только как организм в целом, но и на уровне тканей.

А что будет, если мы под прессом нагрузим тушку морского окуня тем давлением, которому он подвержен в естественных условиях своего обитания? Очевидно: от неё останется мокрое место.

Так в чём же дело?

Неужели естественное давление, создаваемое весом столба воды, качественно отличается от давления, которого мы можем достичь техническими средствами? Конечно же, нет! Скорее тут дело в другом: существо, родившееся и выросшее в условиях высокого давления, как организм, как конструкция, этого давления не испытывает. Но как такое может быть?

Атомы — атланты!

Согласно основной концепции физического материаловедения, высокое внешнее давление изменяет атомное строение твёрдого тела, его электронную структуру. В частности, оно меняет межатомные расстояния и выталкивает электроны с их обычных орбит. Это, в свою очередь, влечёт за собой изменение энергетической структуры сжатых микрочастиц, выраженное изменением их фононных спектров, межатомных взаимодействий и т.п. Обобщая, можно сказать, что внешнее давление, действующее на вещество, уравновешивается упругим сопротивлением электронной структуры атомов, из которых оно состоит. Их электронные оболочки упруго деформируются, то есть возрастает потенциальная энергия упругих деформаций атомов.

Здесь уместно заметить, что свойство пластичности проявляется только на уровне надмолекулярной структуры тела. Электрические же взаимодей

ствия на уровне микрочастиц, как, впрочем, и на любом другом уровне, — всегда только упруги.

В процессе формирования вещество, как макроскопическая конструкция, подвергается «сборке» из частиц, на атомно-молекулярном уровне уже уравновешенных с внешним давлением, то есть уже принявших на себя всю его тяжесть. Вследствие этого надмолекулярная структура горной породы оказывается ненагруженной. Такое вещество «не ощущает» действующего на неё высокого давления, — подобно тому, как глубоководная рыба как организм, как конструкция не ощущает высокого гидростатического давления, в условиях которого она сформировалась. Что и требовалось доказать.

Номинальные условия

Сейчас мы знаем, что атомы, из которых состоит всё нас окружающее, — да и мы сами, — обладают огромной заключённой в них ядерной энергией, которая, тем не менее, в нашей повседневной жизни явным образом себя не проявляет.

Будем называть давление, при котором формируется организм, — номинальным давлением, а условия, при которых формируется тело, — независимо от того, биологическое оно или минеральное, — номинальными условиями.

В этих условиях энергия упругого сжатия (ЭУС), «закачанная» высоким давлением в атомы, на надмолекулярном уровне не даёт о себе знать, точно так же, как и атомная энергия. Но это верно только по отношению к геологическому бытию структур всё в тех же номинальных условиях. Ситуация меняется, когда меняются внешние условия. Тело начинает испытывать дискомфорт, тем более значительный, чем больше отклонение от «привычной» для него нормы. Да мы это знаем по себе: у многих людей самочувствие резко ухудшается, если «скачет» атмосферное давление, хотя сами по себе эти скачки по своей относительной величине ничтожны.

Почему?

Что касается биологических систем — тут дело сложное, в нескольких словах на этот вопрос не ответишь. Но в отношении всех прочих дело выглядит проще.

При уменьшении номинального давления ЭУС, «закачанная» этим давлением в деформации электронной структуры атома, начинает «перетекать» в более высо

кие, надмолекулярные этажи, в которых возникают упругие деформации, обусловленные тем, что эти атомарные связи препятствуют свободному упругому расширению вещества. Этим самым они, как своеобразная плотина, удерживают упругую энергию в веществе, которой его начинает «распирать» изнутри. Тело приобретает свойства энергоносителя. По мере уменьшения давления плотность упругой энергии, поступающей из внутриатомных источников в надмолекулярные структуры, продолжает возрастать. Если её величина достигнет некоторого порогового значения, вещество становится энергонасыщенным.

Энергонасыщенное состояние вещества метастабильно, то есть близко к потере устойчивости. Оно подобно состоянию жидкого нитроглицерина, в своё время создавшего столько проблем при перевозке: достаточно было случайного толчка, чтобы ёмкость с ним взорвалась. Другие примеры метаста-бильного состояния: переохлаждённая жидкость, перенасыщенный раствор.

Вот мы и добрались до возможного ответа на вопрос, каким образом горная порода приобретает свойства взрывчатки? Это происходит из-за того, что упругая энергия, сообщённая веществу высоким давлением, в условиях разгрузки свободно высвобождается не вся. Какая-то её часть «перетекает» с глубинных уровней структурных композиций вещества в их верхние этажи, вплоть до перехода разгружаемого вещества в энергонасыщенное состояние. И вот тут-то — только держись!..

27