Полина Фокина
август 2017.
27743

Правда ли, что стекло со временем деформируется и «стекает» вниз?

Ответить
Ответить
Комментировать
1
Подписаться
3
6 ответов
Поделиться

Обычное оконное стекло по своему строению не кристаллическое вещество, а жидкость, только очень вязкая. Лишь при сильном нагревании стекло начина­ет заметно течь. При этом температуры плавления, которая характеризует тела кристаллического строения, у стекла не существует: размягчение по мере повышения температуры происходит постепенно. Вещества с подобными свойствами так и называются — стекло­образные, или просто стёкла.

Однако до сегодняшнего дня никто не замечал, чтобы оконное стекло сте­кало в сторону подоконника. Если бы стекло хоть в малейшей степени было текучим, люди не могли бы строить со­временные мощные оптические теле­скопы, такие, например, как самый крупный в мире телескоп в чилийской пустыне Атакама, названный «Очень большим оптическим». Диаметр его зеркала 8,2 м. Точность шлифовки зер­кала исключительно высока, малейшие деформации стекла недопустимы.

С другой стороны, при исследова­нии средневековых витражей, изготов­ленных из цветных стёкол, выяснилось: в нижней части они толще, чем в верх­ней. Некоторые учёные сделали вывод, что это следствие очень медленного, на протяжении многих веков, течения сте­кла под действием собственного веса, и даже предложили использовать дан­ное свойство для установления време­ни изготовления старинных стёкол. У химиков существовало поверье, что длинные стеклянные трубки и палочки нельзя долго хранить в вертикальном положении, так как они постепенно из­гибаются. Об этом можно было прочи­тать ещё в начале XX в. в книге извест­ного немецкого учёного, лауреата Нобелевской премии по химии Виль­гельма Оствальда (1853—1932) «Физи­ко-химические исследования».

Английский исследователь Роберт Джон Рэлей (1875—1947), сын знамени­того физика, Нобелевского лауреата Джона Уильяма Рэлея, решил проверить эти утверждения экспериментально. Такая проверка обычно связана с изме­рением вязкости: зная вязкость, можно рассчитать величину деформации, на­пример, за 10 или 100 лет.

Вязкость — свойство жидкости (или газа) оказывать сопротивление переме­щению отдельных слоёв друг относитель­но друга, а также перемещению твёрдо­го тела, помещённого в жидкость. В Международной системе единиц (СИ) вязкость имеет размерность Па•с, но на практике распространена вне­системная единица вязкости пуаз (П): 1 П = 0,1 Па•с. Она названа в честь французского физика Жана Луи Пуазейля (1799—1869), который вывел форму­лу для объёма жидкости V, протекающей за время г по трубе с гладкими стенка­ми длиной l и диаметром R при разнице давлений на концах трубы р: V= prtR^4/8hl, где h — вязкость жидкости.

Однако измерить вязкость стекла при комнатной температуре Рэлей не мог. Оценки, основанные на опреде­лении вязкости разогретых выше 500 °С

стёкол, дают для 20 °С значение 1021 П. Для сравнения: вязкость воды при 20 °С равна 0,01 П, глицерина — 15 П, смо­лы — примерно 108 П. Отсюда следу­ет, что стекло в 10 трлн. раз более вяз­кая жидкость, чем смола.

В 1923 г. Рэлей провёл следующий опыт. Он взял стеклянный стержень длиной около 1 м и диаметром 5 мм, поместил его в горизонтальном положе­нии на два штыря, вбитых в кирпичную стену, так, чтобы стержень опирался на них только своими концами. К центру стержня был подвешен груз массой 300 г. (Как потом выяснилось, эта на­грузка составляет примерно треть от максимальной: точно такой же стер­жень ломался от нагрузки чуть больше 1 кг.) Пол тяжестью груза стержень сра­зу прогнулся на 28 мм в центральной части. И в течение семи лет это значе­ние практически не менялось. К 1930 г., когда опыт завершился, провисание стержня под нагрузкой увеличилось ещё всего на 1 мм, причём это измене­ние в положении груза относительно стены произошло в первые три года и было вызвано скорее всего деформаци­ей самой стены.

О результатах этого необычного эксперимента Рэлей написал в статье, которую озаглавил «Могут ли стеклян­ные трубки и стержни изгибаться под действием собственного веса?». Она была опубликована в журнале «Nature» («Природа») в 1930 г. Любопытно отме­тить, что фамилия автора статьи приве­дена без инициалов, в отличие от имён других авторов в том же номере. И это не опечатка: учёный был лордом. Этот титул Рэлей унаследовал от отца, кото­рому он был пожалован за выдающие­ся научные достижения. А лорды-учёные подписывали свои статьи без имени.

Но самое интересное произошло ровно через два месяца после публика­ции Рэлея. В том же журнале и точно под таким же названием была напечата­на статья другого учёного — К. А. Спен­сера. Оказалось, он проводил аналогич­ный эксперимент, с той лишь разницей, что занимался этим делом не для удов­летворения собственного любопытства, а по долгу службы: учёный работал в из­вестной американской фирме «Джене­рал Электрик» в лаборатории техноло­гии стекла. Вместо стержня Спенсер использовал прямую стеклянную труб­ку длиной 1,1 м и диаметром 1 см при толщине стенок 1 мм. Нагрузка в его опыте была более солидной — 885 г, что приближалось к пределу прочности трубки.

Спенсер начал опыт в 1924 г., и трудно сказать, сколько бы он продол­жался, если бы исследователь не прочи­тал статью Рэлея. После этого его тер­пение не выдержало, хотелось сравнить свои результаты с опубликованными. Итак, через шесть лет после начала опыта Спенсер снял груз. На этот раз изменения были налицо: трубка провис­ла в центре на 9 мм.

При оценке результатов этого опы­та не следует забывать, что нагрузка бы­ла близка к предельной и в десятки раз превышала вес самой трубки. Да и опыт продолжался немалое время.

А главное — более поздние экспери­менты показали, что подобная дефор­мация не является результатом вязко­го течения стекла.

Это доказал тот же Спенсер. Он на­мотал тонкие стеклянные нити на труб­ку диаметром 2 см и выдержал их в та­ком состоянии в течение длительного времени при небольшом подогреве. Когда нити сняли с трубки, они оказа­лись изогнутыми по дуге радиусом око­ло 60 см. Однако когда их поместили на поверхность ртути, где практически нет трения, нити стали выпрямляться — сначала быстро, потом медленнее. Если бы деформация была результатом тече­ния стекла, нити никогда бы не выпря­мились!

Причину остаточной деформации стекла выяснили лишь в начале 50-х гг. Оказывается, в нём под влиянием на­грузки происходит медленная диффу­зия катионов Na+, которых в обычном стекле много. После снятия нагрузки эти катионы постепенно возвращаются к исходному положению, и в конце кон­цов стеклянное изделие вновь принима­ет прежнюю форму.

Итак, опыты дали однозначный ре­зультат: стекло не течёт под нагрузкой и тем более под действием собственно­го веса.

Почему же тогда стеклянные труб­ки действительно нередко имели замет­ный изгиб, а старинные стёкла утолщены в нижней части?

Спенсер нашёл этому довольно правдоподобное объяснение. До того как в самом начале 20-х гг. XX в. был

введён машинный способ вытягивания стеклянных трубок, эту работу делали вручную. Но и самый искусный стекло­дув не мог получить идеально прямую трубку длиной до 1 м и более. В лабо­ратории стеклянные трубки хранили (да и сейчас часто хранят) в вертикаль­ном положении в специальных стойках где-нибудь за шкафом в углу. Химики, разумеется, старались выбирать для себя трубки поровнее, и таким образом происходила естественная отбраковка изогнутых трубок. Так появился (и да­же вошёл в некоторые учебники) миф о самоизгибании трубок.

Теперь несколько слов о средне­вековых витражах. Здесь причина неравномерной толщины стекла ещё интереснее, и связана она со старин­ной технологией изготовления оконных стёкол. Искусный стеклодув набирал на конец трубки большой, килограмма на четыре, кусок размягчённого стек­ла и выдувал из него пузырь, который затем сплющивал. Получался на удив­ление однородный (для ручной работы) диск диаметром метра полтора, с на­плывом по краям. Из этого диска и нарезали (от центра к краям) узкие стёкла для витражей. С одной стороны (там, где был край диска) они были немного толще, и при установке тако­го куска в оконный переплёт его, как правило, размешали толстой частью вниз. Спустя столетия, когда старинная технология изготовления оконного стек­ла была давно забыта, возникла мысль, что утолщение внизу стекла — это ре­зультат его стекания.

*Плавление — процесс переходя твёрдого вещест­ва в жидкость. Обратный процесс называют кристал­лизацией из жидкой фазы (расплава).

Источник: Мир Энциклопедий Аванта+

Если вы еще сомневаетесь, то вот дополнительные аргументы, опровергающие миф:

  • Если бы эффект наблюдался, то все дошедшие до наших дней античные, а также современные большие телескопы, не работали бы из-за постепенного искривления линз

  • Если бы эффект наблюдался, то древнеегипетское и древнеримское стекло за тысячи лет превратилось бы в бесформенную массу

  • По расчетам бразильского профессора Занотто, характерное время, за которое можно наблюдать течение стекол при комнатной температуре, превышает время жизни Вселенной

  • По расчетам Ивонны Стокс даже 5% увеличение толщины внизу привело бы к уменьшению высоты стекла на несколько сантиметров, что привело бы к его выпадению из рамы

  • Подводя итог, можно сделать вывод что оконные стекла не текут при комнатной температуре, по крайней мере за обозримый промежуток времени.

Иван Сизовотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
123
-2

хороший ответ. И технология и экскурс в историю... в общем заслуженный плюс.

+9
Ответить

Хороший, но не авторский)

+4
Ответить

И уж очень нелаконично.  Во-первых, оно - не кристалл, а аморфное пу - а значит - течёт.  Просто медленно очень.  Во-вторых, можно подчеркнуть мудрость русского языка в этом случае.  Да, стекло - оно реально... стекло.  Всё.

0
Ответить
Ещё 2 комментария

"

  • Если бы эффект наблюдался, то все дошедшие до наших дней античные, а также современные большие телескопы, не работали бы из-за постепенного искривления линз
  • Если бы эффект наблюдался, то древнеегипетское и древнеримское стекло...

"

Боги...  Кажется кто-то на полном серьёзе скопировал шутку про античные телескопы со стеклянными линзами...

0
Ответить

Я думал, что про стекло знаю все, но оказывается - не все. Действительно - стекло стекает. Течет значит. Стало быть старое стекло уже стекло, а новое стекло еще не стекло, а только начало стекать. Великий и могучий русский язык!

+1
Ответить

Странно. Судя по контексту статьи https://nplus1.ru/material/2018/09/26/second-mirror зеркало деформировалось в виде "четырехлистника" из-за подвеса на стальных троссах. Видимо, в данном случае вес так велик, что катионы натрия не могут восстановить форму.

0
Ответить
Ещё 10 комментариев

Маленькая поправка: такие вещества (без четкого агрегатного перехода с ростом температуры) называются аморфными

0
Ответить

Стекло считается аморфным, Но! Те кто работает со стеклом, прекрасно знают, что чем старше стекло тем хуже оно обрабатывается. То есть резка старого стекла, это всегда лотерея, пройдет слом по линии  реза или лопнет по масиву. Откуда это происходит? Вам наверняка известен горный хрусталь, но мало кто задумывается , что это то же стекло. Так вот. В течении времени в "аморфном" стекле происходят явления кристализации и перекристализации. Процесс медленный. Возникающие напряжения вызывают появление межкристалитной трещиноватости, что в итоге приводит к полному разрушению литого (плавленого) стекла. превращая его в песок Кстати: если вам говорят об изделиях из стекла датируемых бронзовым веком, не верьте. Срок жизни стекла от 500 до 1000 лет. Что б понять как это происходит, посмотрите в сети ролики о том, как разрушается олово при температуре ниже 15 градусов цельсия. Достаточно наглядно это видно здесь: https://www.youtube.com/watch?v=HJDa7QnDsN8

+1
Ответить

Античные телескопы - это круто!

0
Ответить

Оптические телескопы были в Древнем Шумере и Древнем Египте. Кроме того, кварцевые или хрустальные линзы использовались некоторыми народами Дальнего Востока. Первый европейский телескоп создал Галилео Галилей - до него в Европе телескопов не было.

+4
Ответить

Благодарю за хорошую подборку, скопипастил на память. До этого попадалась только статья в "Химии и жизни" про легенду об прогибающихся трубках.

0
Ответить

ну не знаю как это назвать, течет не течет, но вот в деревнях видал разные картины, оно принимает форму покарежинной рамы, и выпуклые, ромбообразные, как лопости

0
Ответить

Эти окна всегда были такими, даже тогда, когда были новыми.

+1
Ответить

На самом деле чтобы потекло, нужно много больше времени. И ясное дело что течь будет не в разные формы, а просто утолщаться внизу. И конечно оконное стекло течет быстрее оптического из-за меньшей плотности (почитай качества).

+1
Ответить

Стекает со временем также как мозги читателей дзена

0
Ответить

У меня возле забора дри стеклопакета стояли и куда-то делись. Я думал, что украли, оказывается нет, стекли.

0
Ответить
Прокомментировать

В дополнение к большому ответу о физико-химических свойствах стекла: легенда родилась оттого, что в хрущёвках и сталинках стёкла были волнистые и имеющие разную толщину сверху и снизу. Тогда некоторые горячие головы и решили, что это они уже из-за старости стекли. 

На самом деле всё дело в технологии. В середине XX века в СССР оконное стекло производили вытягиванием стекла стальными вальцами из расплава. Производительно, дёшево, но с таким дефектом. Потом расплав стекла стали лить на расплав олова: этот способ известен ещё с незапамятных времён, им получали качественное стекло, но производительность его оставляла желать  лучшего, что негативно отражалась на стоимости. Современная автоматизация позволила повысить его производительность до промышленных масштабов. По этой технологии производят оконное стекло до сих пор.

6
-1
Прокомментировать

Оконное стекло не течет, по крайней мере за наблюдаемое время. Сталинское стекло не трескается. не бьется не ломается. Однако искажает визуальное восприятие застекольной реальности (изгибы прямолинейных объектов, извилистость).

Valentin Markovотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
1
0

Сталинское стекло не трескается, не бьется и не ломается

Как это не трескается, не бьется и не ломается? Вы противоречите законам физики. Вы очевидно сталинист идеализирующий СССР, т.к в вашем восприятии реальности какая то советская магия или "дух Сталина" дарует вещам особопрочность. Но в реальности сталинское стекло ломается как и любое другое стекло.

+1
Ответить
Прокомментировать

Нет, это миф. Миф родился, когда померяли толщину стёкол в старинных храмах, стёкла в которых (прежде всего витражи) пережили века. Показалось, что нижние края стёкол толще. Потом были найдены и другие стёкла, где наоборот. А миф остался.

Владимир Замятинотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
1
0
Прокомментировать

Стекло постоянно деформируется и стекает вниз. 

Как уже было сказано, стекло это жидкость со сверхвысокой вязкостью. 

А чем вязкая жидкость отличается от не вязкой? Она отличается количеством молекул меняющих своё положение(перескакивающих) за единицу времени. 

Если бы вы сформулировали вопрос с использованием глагола совершенного вида и указали конкретный отрезок времени, например:

Стечет ли оконное стекло вниз до состояния в лужи за сто лет?

То ответ был бы нет. А в той формулировке которую вы использовали, ответ да.

Александр Баутинотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
1
-2

А за какой отрезок времени оконное например стекло стечет до состояния лужи?

0
Ответить
Прокомментировать
Читать ещё 1 ответ
Ответить