Эффект ребиндера при измельчении. Внешний и внутренний эффекты ребиндера. Примеры эффекта Ребиндера

Этот роман – «собранье пестрых глав», где каждая глава названа строкой из Пушкина и являет собой самостоятельный рассказ об одном из героев. А героев в романе немало – одаренный музыкант послевоенного времени, «милый бабник», и невзрачная примерная школьница середины 50-х, в душе которой горят невидимые миру страсти – зависть, ревность, запретная любовь; детдомовский парень, физик-атомщик, сын репрессированного комиссара и деревенская «погорелица», свидетельница ГУЛАГа, и многие, многие другие. Частные истории разрастаются в картину российской истории XX века, но роман не историческое полотно, а скорее многоплановая семейная сага, и чем дальше развивается повествование, тем более сплетаются судьбы героев вокруг загадочной семьи Катениных, потомков «того самого Катенина», друга Пушкина. Роман полон загадок и тайн, страстей и обид, любви и горьких потерь. И все чаще возникает аналогия с узко научным понятием «эффект Ребиндера» – как капля олова ломает гибкую стальную пластинку, так незначительное, на первый взгляд, событие полностью меняет и ломает конкретную человеческую жизнь.

«Новеллы, изящно нанизанные, словно бусины на нитку: каждая из них – отдельная повесть, но вдруг один сюжет перетекает в другой, и судьбы героев пересекаются самым неожиданным образом, нитка не рвётся. Всё повествование глубоко мелодично, оно пронизано музыкой – и любовью. Одних любовь балует всю жизнь, другие мучительно борются за неё. Одноклассники и влюблённые, родители и дети, прочное и нерушимое единство людей, основанное не на кровном родстве, а на любви и человеческой доброте, – и нитка сюжета, на которой прибавилось ещё несколько бусин, по-прежнему прочна… Так человеческие отношения выдерживают испытание сталинским временем, «оттепелью» и ханжеством «развитого социализма» с его пиком – Чернобыльской катастрофой. Нитка не рвётся, едва ли не вопреки закону Ребиндера».

Елена Катишонок, лауреат премии «Ясная поляна» и финалист «Русского Букера»

На нашем сайте вы можете скачать книгу "Эффект Ребиндера" Елена Минкина-Тайчер бесплатно и без регистрации в формате fb2, rtf, epub, pdf, txt, читать книгу онлайн или купить книгу в интернет-магазине.

Явления смачиваемости рассматривались для равновесного состояния системы. В пластовых условиях наблюдаются неустойчивые процессы, происходящие на поверхности раздела фаз. За счет вытеснения нефти водой образуется передвигающийся трехфазный периметр смачивания. Угол смачивания изменяется в зависимости от скорости и направления движения жидкости (менисков жидкости, рис. 5.5) в каналах и трещинах.

Рисунок 5.5 – Схема изменения углов смачивания при изменении направления движения мениска в капиллярном канале:  1 – наступающий,  2 – отступающий углы смачивания при движении водо-нефтяного мениска в цилиндрическом канале с гидрофильной поверхностью ( – статический угол смачивания)

Кинетическим гистерезисом смачивания принято называть изменение угла смачивания при передвижении по твердой поверхности трехфазного периметра смачивания. Величина гистерезиса зависит:

от направления движения периметра смачивания, т.е. от того, происходит ли вытеснение с твердой поверхности воды нефтью или нефти водой;

скорости перемещения трехфазной границы раздела фаз по твердой поверхности;

шероховатости твердой поверхности;

адсорбции на поверхности веществ.

Явления гистерезиса возникают, в основном, на шероховатых поверхностях и имеют молекулярную природу. На полированных поверхностях гистерезис проявляется слабо.

5.6 Свойства поверхностных слоев пластовых жидкостей

О структуре поверхностного слоя существуют различные пред­положения.

Многие исследователи, изучающие строение и толщину тонких слоев жидкости, связывают образование пристенных слоев с поляри­зацией молекул и их ориентацией от поверхности твердого тела во внутренние области жидкости с образованием сольватных 1 слоев.

Особо сложное строение имеют слои нефти, контактирующие с горными породами пласта, так как взаимодействие поверхностн-активных веществ с минералами очень многообразно.

Замечено, например, что реагенты, применяемые во флотацион­ной технике, могут закрепляться на поверхности минерала как в форме обычных трехмерных пленок, образующих самостоятельную фазу на поверхности минеральных частиц, так и в виде поверхно­стных соединений, нe имеющих определенного состава и не образу­ющих отдельной самостоятельной фазы.

Наконец, реагенты могут концентрироваться в диффузионной части двойного электрического слоя, a не на самой поверхности раздела фаз.

Поверхностно-активные компоненты, по-видимому, всегда кон­центрируются не только на поверхности, но и в трехмерном объеме вблизи поверхности раздела.

Многими исследователями были сделаны попытки измерять тол­щину пленки различных жидкостей па твердых телах. Так, напри­мер, по результатам измерений Б. В. Дерягина и М. М. Кусакова толщина смачивающих пленок водных растворов солей на различ­ных твердых плоских поверхностях составляет около 10 -5 см (100 им). Эти слои отличаются от остальной части жидкости структурой и механическими свойствами – упругостью на сдвиг и повышенной вязкостью. Установлено, что свойства жидкости в поверхностном слое изменяются также вследствие ее сжатия. Например, плотность адсорбированной силикагелем воды по некоторым измерениям соста­вляет 1027-1285 кг/м 3 .

Особыми свойствами обладают также адсорбционные и связан­ные с ними сольватные оболочки на разделах фаз в нефтяном пласте. Некоторые составные части нефти могут образовывать гелеобразные структурированные адсорбционные слои (с необычными - аномаль­ными свойствами) с высокой структурной вязкостью, а при высоких степенях насыщения адсорбционного слоя - с упругостью и меха­нической прочностью на сдвиг.

Исследования показывают, что в состав поверхностных слоев на разделе нефть - вода входят нафтеновые кислоты, низкомолеку­лярные смолы, коллоидные частицы высокомолекулярных смол и асфальтенов, микрокристаллы парафина, а также частицы минераль­ных и углеродистых суспензий. Предполагается, что поверхностный слой на разделе нефть - вода образуется в результате скопления минеральных и углеродистых частиц, а также микрокристаллов парафина под влиянием избирательного смачивания водной фазой гидрофильных участков их поверхности. Адсорбирующиеся на этой же поверхности раздела асфальтосмолистые вещества, переходящие в гелеобразное состояние, цементируют частицы парафина и мине­ралов в единый монолитный слой. Поверхностный слой еще более утолщается вследствие сольватизации гелей асфальтосмолистых веществ со стороны нефтяной фазы.

Особые структурно-механические свойства поверхностных слоев обусловливают стабилизацию различных систем и, в частности, высокую устойчивость некоторых водонефтяных эмульсий.

Существование адсорбционных слоев на разделе остаточная вода - нефть, по видимому, оказывает также некоторое задержива­ющее влияние на процессы смешиваемости нагнетаемых в пласт вод с остаточными.

5.7 Расклинивающее действие тонких слоев жидкости.

Опыты Дерягина. Эффект Ребиндера

Жидкость, смачивающая твердое тело, проникая в тонкие тре­щины, способна играть роль клина и раздвигать ее стенки, т.е. тонкие слои жидкости обладают расклинивающим действием 2 . Это свойство тонких слоев проявляется также при сближении твердых поверхно­стей, погруженных в жидкость. По исследованиям Б. В. Дерягина рас­клинивающее действие возникает при условии, если толщина слоя h жидкости, раздвигающей поверхности трещины, меньше некоторой величины h кр . При h > h кр расклинивающее действие равно нулю и при h < h кр оно возрастает с уменьшением толщины жидкого слоя, т. е. с момента h ≤ h кр для сближения поверхностей частиц необходимо приложить к ним внешнюю нагрузку.

Факторами, создающими расклинивающее действие, являются силы ионно-электростатического происхождения и особое агре­гатное состояние полярных жидкостей вблизи граничных поверх­ностей.

Ранее упоминалось, что свойства сольватного слоя на поверх­ности твердого тела резко отличаются от свойств остальной части жидкости. Этот (сольватный) слой можно рассматривать как особую граничную фазу. Поэтому при сближении частиц до расстояний, меньших двойной толщины сольватных слоев, к частицам необхо­димо прикладывать внешнюю нагрузку.

Расклинивающее давление ионно-электростатического происхо­ждения возникает из-за изменений концентрации ионов в слое, разде­ляющем частицы и в окружающем их растворе.

По результатам опыта расклинивающее действие тем больше, чем прочнее связь между жидкостью и поверхностями твердого тела. Его можно усилить, если ввести в жидкость поверхностно-активные вещества, хорошо адсорбируемые поверхностью твердого тела. На этом явлении основан эффект Ребиндера. Сущность его заключается в том, что небольшие количества поверхностно-актив­ных веществ вызывают резкое ухудшение механических свойств твердого тела. Адсорбционное понижение прочности твердых тел зависит от многих факторов. Оно усиливается, если тело подвер­гается растягивающим усилиям и если жидкость хорошо смачивает поверхность.

Эффект адсорбционного понижения прочности используется в бурении скважин. При использовании в качестве промывочных жидкостей растворов, содержащих специально подобранные поверх­ностно-активные вещества, заметно облегчается бурение твердых пород.

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

Продолжим рассказ о живущих в кристалле трещинах. Первый обстоятельный доклад о своем открытии Петр Александрович Ребиндер сделал поздним летом 1928 г. на пароходе, спускавшемся вниз по Волге - от Нижнего Новгорода до Саратова. На пароходе плыли делегаты

VI Всероссийского съезда физиков и гости съезда. Среди гостей были крупнейшие физики того времени: Макс Борн, Петер Дебай, Чарлз Дарвин, Поль Дирак и многие другие. Для истории советской физики это был знаменательный съезд, потому что именно во время этого съезда были доложены и обсуждены три крупнейших достижения молодой советской физики: эффект комбинационного рассения света (о нем доложил Л. И. Мандельштам), первые результаты, полученные при исследовании цепных реакций (о них доложил Н. Н. Семенов), и эффект адсорбционного понижения прочности (о нем доложил П. А. Ребиндер).

Доклад П. А. Ребиндера вызвал скептическое к себе отношение. Докладчик утверждал, что механические свойства кристаллического тела могут быть существенно изменены, если на его поверхности расположить специально подобранные вещества. Докладчик рассказывал об опытах, подтверждающих его точку зрения. Все это выглядело более чем странно, потому что, какое бы вещество ни располагалось на поверхности, о его существовании осведомлены лишь «поверхностные» атомы кристалла, а их исчезающе мало. Относительная доля поверхностных атомов из числа образующих проволоку радиусом оказывается равной

? = 2?Ra /?R 2 = 2а/R ,

где а - межатомное расстояние. Если R = 10 -1 см, а = 3 . 10 -8 см,

то ? ? 10 -7 , т. е. на поверхности такой проволоки расположена одна десятимиллионная доля всех атомов, из которых она состоит. Не могут же они определить собой прочность массивного образца, за нее ведь заведомо ответственны атомы, находящиеся в объеме! Вспомним: подобные соображения возникали и в связи с эффектом Иоффе.

Прошли годы, появились новые факты, догадки, теоретические оценки. Оказалось, что докладчик был прав. Обширный опыт конференций и семинаров свидетельствуют о том, что докладчики обычно бывают правы. Не всегда, но чаще всего. Они о предмете доклада думали больше и заинтересованнее, чем их слушатели-оппоненты.

Итак - эффект Ребиндера: кристалл, поверхность которого покрыта так называемым поверхностно-активным веществом, обнаруживает механические свойства, существенно отличающиеся от свойств такого же кристалла, поверхность которого чиста. Так, например, значительно пониженной может оказаться прочность на разрыв, кристалл может обнаружить повышенную хрупкость.

Очень впечатляет классический опыт, который П. А. Ребиндер любил демонстрировать во время лекций. Опыт простой. Вначале следует убедиться в том, что тонкая пластинка цинка под влиянием малых усилий легко изгибается, оказывается пластичной. Затем следует очистить участок поверхности кристалла и нанести на него каплю ртути. После этой процедуры изгиб кристалла сопровождается появлением трещины. В нее активно проникает ртуть, и трещина быстро развивается. Ртуть, находящаяся на поверхности пластичного цинка, сделала его хрупким. Я неоднократно видел эту лекционную демонстрацию в исполнении Петра Александровича. Демонстрируя, он всегда был радостно возбужден, и в его повадке было нечто от повадки школьника, удивляющего друзей эффектным фокусом.

Этому большому, убеленному сединами человеку была свойственна ребячливость. Когда в его руках оказывались части хрупко разрушившейся пластинки цинка, он победно оглядывал слушателей и говорил: «Никакой ловкости рук!»

Процессы, сопутствующие проявлению эффекта Ребиндера, в той форме, какая наблюдалась в описанном опыте, очень не просты. Они зависят от физических свойств и кристалла, и вещества, занесенного на его поверхность.

Попытаемся понять физику эффекта, имея в виду кристалл А , на поверхности которого расположено некоторое поверхностно-активное вещество В. Может оказаться (и это оказывается в огромном количестве комбинаций А и В ), что атомам сорта В выгодно расположиться между атомами сорта A , вклиниться между ними. Этому процессу можно помочь, приложив растягивающие усилия к кристаллу, и таким образом ослабить связь А -А . Если внедрение атомов сорта В в кристалл А произошло, в нем появляются связи типа А -В . А вот связи А-В могут оказаться значительно слабее связей А-А , и это может определить пониженную прочность кристалла.

К рассказанному необходимо добавить следующее. Основные события, сопутствующие разрушению, как правило, происходят в устье развивающейся трещины, к которой из слоя покрытия должны успевать приходить атомы сорта В . Их может поставлять либо процесс диффузии вдоль поверхности, либо процесс растекания вещества В по поверхности трещины, развивающейся в кристалле А .

При любом механизме эти поставки должны происходить достаточно быстро для того, чтобы у устья трещины были атомы сорта В, стремящиеся внедриться в кристалл Л. Здесь уместно обратить внимание на то, что эффекту Ребиндера свойственны многие черты и эффекта Иоффе, и эффекта Гриффитса. Их роднят особенности процесса развития трещины под действием напряжений.

А вот еще один опыт, иллюстрирующий иное проявление эффекта Ребиндера. В высокий стеклянный стакан наливается немного расплавленного галлия и на его дно ставится тонкая поликристаллическая пластинка цинка. Затем стакан заполняют специальным раствором, который очищает поверхность цинка. Далее происходит следующее. Галлий начинает ползти по поверхности цинка. Это видно отчетливо, так как на цинке образуется движущийся матовый след. Цинковая пластинка, покрытая галлием, начинает оседать на дно стакана, складываясь в гармошку или скручиваясь в рулон. Самопроизвольно, лишь под действием собственного веса!

Галлий, проникая в границы между зернами цинковой поликристаллической пластинки, ослабляет их, и зерна получают возможность легко взаимно смещаться. Именно это мы и видим, наблюдая, как мягко пластинка цинка оседает в стакане с галлием.

В первом опыте - аномальная хрупкость, во втором-аномальная пластичность. Можно было бы привести примеры резкого понижения твердости кристаллов горных пород и металлов, приобретения ими способности легко превращаться в порошок и много иных примеров изменения механических свойств кристаллических тел под влиянием поверхностно-активных веществ.

Читатель, даже не очень склонный к фантазированию, легко представит себе ту огромную роль, которую играет эффект Ребиндера в природе и во многих технологических процессах. Помогу читателю: в присутствии поверхностно-активных веществ легче обрабатывать резцом, легче штамповать, легче бурить горные породы, легче истирать кристалл в порошок...

Эффект Чизхолма Основные законы срывов, неудач и затяжек Ф. Чизхолм Можно быть уверенным только в одном: что ни в чем нельзя быть уверенным. Если это утверждение истинно, оно тем самым и ложно. Древний парадокс Подобно большинству научных открытий, общие принципы,

4. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света Открытие явления фотоэффекта и его дальнейшее изучение принесло физикам много неожиданного. Сущность фотоэффекта состоит в испускании веществом быстрых электронов под воздействием достаточно коротковолнового