АВАРИИ И КАТАСТРОФЫ — НЕ ФАТАЛЬНАЯ НЕИЗБЕЖНОСТЬ

По мнению ряда ученых, ситуация в физике сейчас такова, что по некоторым признакам фундаментальная физика как бы исчерпывает свои возможности. Складывается впечатление, что и техника постепенно подходит к пределу, определенному теоретическими наработками предшествующих поколений физиков. Не исключено, что ощущение тупика, которое возникает накануне нового века, как раз и является предтечей грядущих открытий и перемен. Возможно, что такое открытие уже сделано.

В последнее время умы

научных работников и

простых обывателей будоражит известие о возможном открытии пятого состояния вещества - торсионного. Из школьного курса физики каждому известно пока три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. К специальному виду газообразного состояния относят плазменное (четвертое состояние). Авторы и сторонники предполагаемого пятого состояния рассматривают его чуть ли не как первооснову всех остальных, способного в корне изменить существующие представления о природе вещей. Они считают, что на его основе могут быть созданы принципиально новые технологии, способные совершить коренной переворот буквально во всех промышленных сферах. Однако результатов реальных экспериментов, способных вселить такой оптимизм, не приводится, а все сведения о конструкции торсионных генераторов держатся в строгой тайне, что оставляет место для скепсиса.

В то же время в Украине осуществлено пусть не столь шумно разрекламированное и захватывающее, но не менее перспективное (и, главное, легко проверяемое) открытие. Велико практическое значение этого открытия, так как оно позволяет решать не только задачи далекой перспективы, но и проблемы сегодняшнего дня.

Итак, что общего и чем существенно отличаются известные состояния: твердое, жидкое и газообразное? Общее у них то, что все они материальны и состоят из атомов и молекул. Различает их уровень энергосодержания. У твердого тела оно одно - то, которое приобретено при затвердевании. Повышение кинетической доли внутренней энергии и достижение температуры плавления переводит это состояние в жидкое. Последнее состоит из тех же атомов и молекул, что и твердое. Оно также слагается из связанной атомно-молекулярной системы, которая, в отличие от твердого тела, уже не может самостоятельно сохранять свои геометрические размеры и форму. Дальнейшее повышение температуры и начало процесса испарения переводит жидкое состояние в газообразное. Оно утрачивает и второй отличительный признак твердого тела - связанность: атомы и молекулы газа существуют обособленно, совершая в заданном объеме хаотическое движение. Если увеличить температуру еще на несколько порядков, то связаность теряют уже сами атомы и молекулы. Газ ионизируется и становится плазмой, в которой атомов и молекул уже нет - есть лишь отдельные частицы, из которых они раньше состояли: ядра, ионы и электроны.

Получается, что твердое тело, жидкость и газ отличаются между собой уровнем кинетической энергии образующих их атомов и молекул. Этот уровень определяется соответствующими характеристическими температурами: плавления, испарения и ионизации. Знакомым с физикой в большем объеме, чем школьный курс, известно, что твердое тело имеет еще одну - собственную характеристическую температуру. По имени ученого, который первый ввел ее в обиход, она названа дебаевской. Ею свободно оперируют в курсах физики. Однако до сих пор ее физическое содержание не определено: неизвестно, какие процессы она характеризует или какие состояния разделяет. Открытие, о котором идет речь, касается именно этой температуры. Еще в 1986 году было высказано предположение о том, что она делит твердое состояние на две принципиально различные фазы - компрессонную и дилатонную. Потребовалось некоторое время для того, чтобы доказать это предположение. Для этого не понадобилось проводить какие-то сверхтонкие или сверхсекретные исследования, как в случае с предполагаемым торсионным состоянием. Достаточно было с единых позиций сопоставить все известные до сих пор экспериментальные факты. Так что открытие компрессонно-дилатонной природы твердых тел подготовлено не столько собственными изысканиями автора, сколько длительными поисками предшественников-исследователей из разных стран. Сущность его состоит в следующем.

Н езависимо от

химического

состава все известные в природе твердые тела делятся на два типа: компрессонные и дилатонные. Разница между ними кроется в атомно-молекулярных глубинах - в форме взаимосвязи между структурными частицами. У компрессонных материалов соседние атомы притягиваются (как бы изначально поджаты - потому и компрессоны), а у дилатонных - наоборот, как это ни покажется парадоксальным, отталкиваются (изначально стремятся увеличить взаимное расстояние - потому и дилатоны). Ни в том, ни, тем более, в другом случае тело не распадается на части потому, что из-за хаотического расположения атомов и молекул силы притяжения и отталкивания взаимно уравновешиваются в каждом элементарном объеме, создавая условия для динамического равновесия всей атомно-молекулярной системы в целом. Яркими представителями компрессонных материалов являются металлы и сплавы, а дилатонных - чугуны, естественные и искусственные камни, керамика и др.

Такое деление - не досужее умозаключение, оно повсеместно подтверждается на практике. Хотя бы тем, как ведут себя те и другие материалы во внешних, прежде всего, силовых полях. Каждому инженеру известно, что металлы деформируются пластично и хорошо работают на растяжение. Дилатонные же материалы - наоборот, имеют высокую прочность на сжатие и низкую - на растяжение. Они разрушаются почти всегда хрупко. Это объясняется еще одной, может быть, главной, их особенностью. Дело в том, что атомно-молекулярные связи любого тела являются нестабильными образованиями: они могут переходить из одного состояния в другое, т.е. совершать компрессон-дилатонные переходы. Так вот, дебаевская температура, которая упоминалась выше, как раз и характеризует начало фазовых переходов. Ее необходимо поставить в один ряд с температурами плавления, испарения и ионизации. В отличие от них она изменяет не агрегатное, а фазовое состояние твердого тела.

Коренной особенностью компрессонных и дилатонных материалов является то, что их дебаевские температуры существенно различны. Так, если у первых она близка к комнатной, то у вторых находится в далекой отрицательной области. Поэтому компрессонные материалы могут легко переходить из одного состояния в другое под влиянием внешних полей (силовых, тепловых, радиационных, химических и т.д.), а дилатонные - нет. Об этом, в частности, говорит хорошо известный из опыта факт: металлы расплавить легче, чем каменные материалы. По этой же причине они по-разному ведут себя и в силовых полях. Чтобы разрушить дилатонный материал, достаточно сориентировать его атомно-молекулярные связи в произвольном поперечном сечении по направлению действия внешней силы, и он сам распадется на части под влиянием внутреннего дилатонного давления (так, например, разрушаются строительные материалы). Для металлов этого недостаточно: их связи необходимо не только сориентировать по направлению внешней силы (упругая стадия деформирования), но и перевести затем из компрессонного в дилатонное состояние (стадия пластического деформирования), только после этого он разрушается. Вследствие двухфазного характера деформирования и разрушения металлы имеют более высокие прочностные свойства.

Однако, данное открытие не ограничивается лишь познавательной ценностью. Велико его научное и практическое значение. Из него органически следует уравнение состояния твердого тела, которое (по аналогии с известными газовыми законами Бойля-Мариотта, Гей-Люссака или Шарля) позволяет описать или предсказать его напряженно-деформированное состояние. А это, в свою очередь, переводит науку о сопротивлении материалов из механико-математической плоскости, в которой она сегодня находится, в физическую, что влечет за собой еще более радикальные последствия.

М еханико-математи-

ческие представле-

ния о прочности рассматривают разрушение как фатальную неизбежность, ожидающую любой материал. Дилатонно-компрессонная же сущность материалов, подкрепленная уравнением состояния, показывает, что это вовсе не так. Они свидетельствуют, что деформирование и разрушение - это всего лишь цепь компрессонно-дилатонных переходов. Зная их механизм, можно затормозить процесс разрушения или вовсе исключить его. Дилатонно-компрессонный арсенал включает такие методы торможения. В отличие от традиционного проектирования, стремящегося обеспечить надежность и долговечность инженерных объектов за счет резервирования материала, т.е. по сути путем увеличения его массы, они имеют энергетическую природу. Они поддерживают работоспособность материалов, деталей и конструкций на заданном уровне за счет подвода к ним определенного вида энергии (тепловой, механической, магнитной, электрической или иной).

Следует сразу оговориться, что энергетические методы торможения деформирования и разрушения ни в коем случае не заменяют или упраздняют существующие методы резервирования, они лишь дополняют их. Можно показать, что резервирование обеспечивает достаточную степень надежности деталей и конструкций, работающих при статических или медленно изменяющихся нагрузках. При динамических режимах определяющую роль начинает играть масштабный эффект (он хорошо знаком инженерам, занимающимся проектированием и эксплуатацией инженерных объектов), который приводит к тому, что при скоростном нагружении более массивные конструкции отказывают первыми. Это подтверждается массовым разрушением наземных объектов при землетрясениях или случайных техногенных воздействиях.

Для предотвращения аварий и катастроф предусматриваются методы управления напряженно-деформированным состоянием материалов и конструкций в виде специальных систем. Использование их особенно целесообразно в сложных инженерных сооружениях (атомных электростанциях, космических аппаратах, самолетах, мостах, промышленных установках и т.д.). Затраты на системы обеспечения стопроцентной гарантии надежности и долговечности таких объектов окупятся с лихвой.

Умение управлять состоянием материалов и конструкций, предотвращая аварии и катастрофы (а их количество в нашу технократическую эпоху неуклонно растет), означает качественно новый этап научно-технического развития. Поэтому практическую значимость открытия компрессонно-дилатонной природы твердых тел переоценить невозможно. Остается добавить, что сущность этого открытия обоснована теоретически и подтверждена экспериментально в книге, которая ждет своего издателя.