Скло – це рідина чи тверде тіло?

Скло (неорганічне скло) — тверда аморфна речовина, прозора, в тій чи іншій частині оптичного діапазону (в залежності від складу), отримана під час застигання розплаву, що має склотвірні компоненти.

У 1994 (тисяча дев'ятсот дев'яносто четвертому) році в Лос-Анджелесі стався потужний землетрус.
57 (п'ятдесят сім) людей тоді загинуло, і більше ніж 5 (п'ять) тисяч постраждало.
Розмір збитків перевищив 20 мільярдів доларів.
Землетруси, такі як цей, змушують нас задуматися, наскільки твердою є опора під нашими ногами, і що взагалі означає бути твердим.
На перший погляд, пек [різновид смоли] здається твердим, але насправді це не так.
Насправді пек є дуже в'язкою рідиною при кімнатній температурі.
В'язкість - це властивість текучих тіл чинити опір зовнішньому впливу, яку іноді помилково називають густиною.
В'язкість оливкової олії майже у 100 разів більша, ніж в'язкість води.
А мед у 100 разів в'язкіший, ніж олія.
В'язкість ж пека у 2,3×10¹¹ (230 мільярдів) разів більша, ніж в'язкість води.
В університеті Квінсленда, що в Австралії, з пеком проводять найдовший у світі лабораторний експеримент, який триває майже 100 років.
У 1927 році шматок пека помістили в лійку, з якої відтоді впало всього 9 крапель, тобто одна крапля формується приблизно за 10 років.
І досі нікому не вдалося побачити сам процес падіння краплі.
Хоча одного дня в 1988 році експериментатору Джону Мейнстоуну майже вдалося спостерігати падіння краплі, але він невчасно вийшов з кімнати, щоб зробити собі чай.
Зараз за експериментом можна стежити онлайн.
Але оскільки остання крапля впала у 2014, вам доведеться трохи зачекати.
Речовиною, яка нібито є дуже в'язкою рідиною, часто називають скло.
Можна помітити, що у вітражах давніх церков в нижній частині фрагментів скло має більшу товщину, ніж у верхній, оскільки протягом століть воно повільно стікало донизу.
Взагалі-то, ні!
Скло не стікало донизу.
Оптика старих телескопів дуже чутлива до найменших змін в геометрії лінз, але вони відмінно працюють після кількох сотень років.
Ба більше, дослідження тисячолітніх віконних стекол не показали жодних ознак стікання.
Річ у тому, що виготовити скло з однаковою товщиною дуже важко.
І скляні елементи вікон або вітражів встановлювалися потовщенням донизу.
До того ж свинець пластичніший, ніж скло, тож якби скло справді повільно стікало, то свинець вже б давно був на підлозі.
Скло незвичне тим, що воно є аморфною твердою речовиною.
Тобто молекули, що містять кремній, у склі розташовані невпорядковано, на відміну від кристалічної ґратки.
Це пов'язано з тим, що в процесі виготовлення скло настільки швидко охолоджується, що молекули в ньому не встигають сформувати правильну кристалічну структуру.
І що робить якусь речовину твердою, а не рідкою, - то це те, що всі атоми й молекули зв'язані між собою достатньо сильно, і не можуть зміщуватися одні відносно одних.
У воді, олії та пеку молекули можуть зміщуватися одна відносно одної, але в склі при кімнатній температурі - ні.
То як щодо земних надр?
Під земною корою розташована мантія.
Саме вона відповідає за тектоніку літосферних плит, а отже і за землетруси.
То мантія - тверда чи рідка?
Очевидно, що ми не можемо спостерігати її безпосередньо, однак матеріал, який "витікає" з-під поверхні, і який є гарячою розплавленою породою, - це лава.
Ви могли б припустити, що мантія складається з магми - розпеченої та рідкої гірської породи.
І в цьому є сенс.
Адже для того, аби речовина мантії текла, вона повинна бути рідкою.
Правильно?
Насправді ні!
Мантія тверда!
Через величезний тиск, незважаючи на високу температуру, вона залишається у твердому стані.
І ми впевнені у цьому, тому що поперечні хвилі від землетрусів проходять крізь мантію.
Такі хвилі не можуть поширюватися в рідкому середовищі, яким є зовнішнє ядро, оскільки в рідинах при деформації зсуву сили пружності не виникають.
В підсумку ми отримуємо своєрідну "тінь" від рідкого зовнішнього ядра, реєструючи сейсмічні хвилі від землетрусу на іншому боці планети.
Але як тоді твердий камінь може текти?
Причина полягає в тому, що кристали неідеальні.
Як дефект структури, в певному місці кристала може бути відсутній атом, і це вільне місце може зайняти інший атом.
В порівнянні з людським життям, потрібно дуже багато часу, щоб ефект став помітним.
Але в геологічних часових масштабах це фактично миттєво.
Пластичність мантії близька до пластичності скла, але на кілька порядків вища, тож потрібні геологічні часові масштаби, щоб мантія почала нагадувати рідину.
Отже, пек, будучи рідиною, настільки в'язкий і тече настільки повільно, що здається твердим, в той час, як земна мантія, будучи твердою, поводиться як рідина, якщо чекати достатньо довго.
Як сказав відомий американський геолог Гров Карл Гілберт:

"На мою думку, ця складність уявна, а не реальна.
Жорсткість і пластичність - це поняття не абсолютні, а відносні.
І всі тверді тіла є одночасно і жорсткими, і пластичними.
Коли залучені великі маси й сили, відмінність між цими поняттями розмивається."

Іноді жорсткі визначення, які ми створюємо для себе, можуть змусити нас зав'язнути в хибних уявленнях на кшталт тих, що надра Землі - це велетенська куля магми.
Було б чудово, якби ми використовували поняття "рідкий" і "твердий" більш гнучко, обтікаючи гострі кути.
[жартівливий текст]

Автор: Цікава наука
ОСТАННІ КОМЕНТАРІ