Знали ли вы, что существует очень интересный эффект, который позволяет с лёгкостью понижать прочность у весьма крепких структур — металлов, кристаллических тел и даже аморфных объектов (например, стекла)? При этом сам эффект проявляется практически мгновенно, и для его реализации не нужны какие-то сложные подходы — нужно всего лишь смазать или погрузить объект в соответствующую среду, и начинаются чудеса: резание стекла ножницами, пробивание камня или керамики гвоздём и т. д.
Да, сегодня мы поговорим как раз о таком примечательном эффекте — эффекте Ребиндера!
Для начала следует сказать, что этот эффект весьма удивителен уже хотя бы тем, что позволяет практически мгновенно понижать прочность объектов, причём такое понижение может достигать в среднем 50%, а для отдельных проявлений — доходить до 80% и даже более.
Этот эффект был открыт советским учёным Петром Александровичем Ребиндером в 1928 году, и в науке известен под одноимённым названием «эффекта Ребиндера».
Наиболее характерной его особенностью является резкое понижение прочности объектов при взаимодействии с весьма малым количеством поверхностно-активных (адсорбционно-активных) веществ*: при этом вовсе не обязательна дальнейшая механическая обработка, так как объект после контакта может даже самопроизвольно разрушиться (за считаные секунды или минуты) без каких-либо дополнительных воздействий либо с минимальным воздействием (существенно меньшим, чем это требовалось бы в ином случае).
*При самом простом, прямолинейном понимании хочется подумать (и ограничиться этим, так как об этом мы довольно хорошо знаем, а человек стремится остаться в зоне известного), что речь идёт только о ПАВ (т. е. поверхностно-активных веществах) — различных моющих средствах, к которым мы все привыкли.
Однако в рамках рассматриваемого эффекта всё несколько сложнее, и в качестве снижающего прочность агента могут выступать любые среды (например, даже ртуть, как мы увидим ниже), которые обладают способностью адсорбироваться на поверхности целевого объекта со «снижением его поверхностной энергии» — это довольно интересная штука, которую требуется дополнительно пояснить…
Суть заключается в том, что все атомы связаны друг с другом определёнными связями, и на разрушение этих связей требуется потратить определённую энергию — например, ударить по поверхности молотком (а где-то — и довольно сильно ударить!).
И, грубо говоря, поверхностная энергия подразумевает, какое количество усилий нужно приложить извне, чтобы разрушить объект до появления как минимум двух новых поверхностей (например, чтобы появилась и разошлась трещина; в классическом объяснении там ещё говорится о нескомпенсированных связях атомов на поверхности по сравнению с атомами внутри структуры, но мы об этом говорить не будем и ограничимся более простым для понимания объяснением).
Тут как раз и начинает действовать интересный механизм: при относительно слабых внешних воздействиях атомы несколько смещаются друг от друга, но возвращаются на место — то есть связи между ними работают как своего рода слегка растянутые пружины. Если такое внешнее воздействие превосходит силу связей между ними, происходит разрыв и образование новых поверхностей (т. е. объект треснул, разлетелся на куски и т. д.).
Но, как выясняется, используя особые вещества, можно уменьшить величину энергии, требующуюся на разрыв связей между атомами для образования новых поверхностей!
Интересно, что при этом достаточно будет даже минимальной раздвижки атомов друг от друга, чтобы в проём между ними уже начало проникать активное вещество! Причиной такой способности является гораздо меньший размер атомов или молекул этого вещества по сравнению с любой среднестатистической трещинкой или «проёмом».
Таким образом, наблюдается интересная картина: атомы тянет друг к другу, но между ними самопроизвольно втягивается «клин», который отодвигает их друг от друга (наподобие того, как уменьшается притяжение между магнитами при их существенном отодвигании). В минимальном случае происходит понижение прочности из-за естественной раздвижки атомов на расстояние, после чего даже относительно слабое воздействие (удар и т. д.) их «развалит»; в максимальном случае может произойти даже самопроизвольное разрушение объекта.
Классический пример подобного рода — смачивание поверхности цинка ртутью: она идеально смачивает поверхность, проникая между зёрнами металла и отодвигая их атомы друг от друга с такой силой, что тем ничего другого не остаётся, кроме как разорвать связи между собой, — и объект разваливается или трескается:
При этом сила втягивания в такие микрощели (собственно, из-за чего этот эффект расклинивания и становится возможным) просто огромна. При межатомных расстояниях втягивание расклинивающего агента в щель идёт настолько активно, что создаёт давление на стенки будущей трещины более чем в 1000 атмосфер!
Адсорбция может происходить как на поверхности твёрдого тела, так и на поверхности жидкости, где механизмы сходны, но есть и отличия; в частности, в случае твёрдого тела не вся его поверхность имеет одинаковые адсорбционные свойства — более подвержены участки с микровыступами (по сравнению с гладкими участками). Если говорить, например, о кристаллах, то разные их грани могут быть более подвержены адсорбции или менее подвержены ей (анизотропия).
При этом ещё следует сказать, что ключевым отличием адсорбции на жидкости от адсорбции на твёрдой поверхности является то, что, как правило, адсорбируемое вещество в жидкости извлекается из неё самой — то есть изначально в ней растворено; тем не менее есть и исключения, где сходный механизм работает и для твёрдых тел.
Ещё из интересного можно добавить, что, как правило, величина адсорбции уменьшается с увеличением температуры.
На первый взгляд кажется, что наука, наоборот, должна стремиться к поиску наиболее технологичных, лёгких и прочных материалов. Однако это только на первый взгляд, так как наука должна оценивать не только оптимальные условия эксплуатации, но и понимать, как изменятся свойства материалов при неблагоприятном стечении обстоятельств — от этого, например, зависит снижение процента тех же техногенных катастроф.
При этом, понимая, как будут снижены прочностные свойства материала, можно заранее разработать меры противодействия — как минимум сменить типичную среду и условия эксплуатации.
С другой стороны, целенаправленное снижение прочности напрямую влияет на уменьшение количества затрат — материальных и трудовых, которые потребует механическая обработка. Таким образом, искусственно снижая величину потребности в таких затратах, можно разработать и более выгодные процессы.
При этом изучение потери прочности и методов борьбы с этим может привести и к довольно неординарным способам разработки сверхпрочных материалов (как вариант).
Одним из важных практических следствий открытия эффекта Ребиндера стало то, что, например, в Советском Союзе ещё до Великой Отечественной войны многие заводы перешли на использование поверхностно-активных веществ, подаваемых на режущий инструмент металлообрабатывающих станков вместо керосина, который применялся ранее. Наглядный эффект последовал сразу же: облегчалась обработка, снижался износ инструмента, улучшалось качество поверхности. Кроме того, повысилась и безопасность — поджечь водную смесь ПАВ, скажем так, «несколько сложнее», чем керосин! :-)
Было выявлено, что при использовании подобных составов скорость резания стали 45 увеличивается на 35–40%, тогда как для более жёстких металлов прирост носит более скромный характер — скажем, для чугуна он достигает лишь порядка 15%.
Существенный эффект был достигнут и при добавлении специальных веществ (карбоксиметилцеллюлоза, лигносульфонаты сульфитно-спиртовых щелоков и др.) при бурении скважин — процесс заметно облегчился и стал более экономичным.
Ну и для наглядности — пара видео. В одном из них показывают, как при погружении в воду можно легко резать тонкое стекло обычными ножницами (по крайней мере, как утверждается, но лучше не пробовать во избежание порезов):
Таким образом, если когда-нибудь вам придёт в голову вырезать из стекла «что-нибудь эдакое», например ромашку, вы, по крайней мере, теперь знаете, как это сделать!
А вот тут можно видеть, как всего лишь погружением в воду можно пробивать стаканы обычными гвоздями:
Интересно, что сходные явления давно используются при практических работах, например, для помола твёрдых материалов, где смачивание позволяет существенно уменьшить требующиеся усилия, где другой стороной эффекта будет являться ещё и достижение гораздо большей тонкости помола.
Тот же самый эффект может быть с пользой применён и для гораздо более близкого среднему человеку применения — резки твёрдых материалов (кафельной плитки, керамогранита) во время проведения ремонтных работ.
Есть одно очень любопытное видео (будет ниже), где автор тестирует целый ряд жидких сред, покрывая ими зону реза, и наглядно можно увидеть, как кардинально меняются свойства материала и облегчается работа человека*:
Спойлер:
Чистая вода (см. с 3:00): не сработала (несмотря на то, что выше мы видели достаточно впечатляющие эффекты с ней, для керамогранита она слабовата).
Мыльная вода (см. с 5:00) (один из классических ПАВ по Ребиндеру): работает отлично, эффект замечательный!
Подсолнечное масло (см. с 6:40, 2 дубля): тоже неплохо, хотя и с первой осечкой — то есть результат заставляет в некоторой степени сомневаться; однако в конечном итоге мы видим, что цель всё равно была достигнута.
ВД-40 (см. с 10:29, 4 дубля): результат отличный.
*Впрочем, в этом нет ничего удивительного, так как в книгах с описанием эффекта Ребиндера всегда говорится о том, что из-за микроуровня, на котором наблюдаются происходящие явления, с точки зрения человека достаточно всего лишь сверхтонкой, микронной плёнки и совершенно ничтожного времени (практически мгновения), чтобы эффект проявился.
Правда, мне доводилось видеть любопытную оговорку, где отмечалось, что при определённых скоростях реза эффект всё-таки может не успевать проявляться, так как из-за слишком быстрого реза адсорбционный слой с поверхности не успевает проникать в трещину и расклинивать её (но там скорости какие-то запредельные; боюсь соврать, но что-то около 100 м/с — зависит от вязкости материала: менее вязкие допускают более высокую скорость обработки). Таким образом, при большинстве применений об этом можно вообще не думать.
Завершая, можно сказать, что мы видим, как простое знание физики позволяет существенно облегчать проводимые работы всего лишь нанесением неких веществ на поверхности.
Желающие более глубоко ознакомиться с этим эффектом и его физикой могут обратиться, например, к следующей книге: Ю.В.Горюнов, Н.В.Перцов, Б.Д.Сумм — «Эффект Ребиндера».
P.S. Размышляя над всем этим, мне пришла в голову поразительная мысль: а ведь когда мы бреемся и применяем пену, мыло или иной ПАВ, мы тоже используем эффект Ребиндера! И ПАВы существенно облегчают процесс, в том числе помогая расклинивать структуру волоса при резке лезвием! О_о
Кстати, по классике, чтобы эффект Ребиндера сработал (не важно, для каких применений), достаточно даже воды — правда, с ней эффект будет вплоть до половины слабее, чем при применении «правильного расклинивателя»... ;-)
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
