Odhalení stoleté záhady odolnosti pneumatik

Téměř sto let je vyztužená pryž nezbytným materiálem v moderním životě, který umožňuje pneumatikám automobilů a letadel odolávat obrovskému tlaku a udržovat provoz průmyslových strojních systémů.

Vědci však nikdy plně nepochopili, proč přidání ultrajemných částic sazí činí gumu tak neuvěřitelně odolnou.

Nyní byla tato záhada oficiálně vyřešena, což otevírá příležitosti k výrobě bezpečnějších a úspornějších pneumatik a průmyslových materiálů.

Výzkumný tým vedený profesorem Davidem Simmonsem, inženýrem z University of South Florida (USA), objevil skrytý mechanismus v tomto materiálu. Výsledky výzkumu byly nedávno publikovány ve vědeckém časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Jak je možné, že tohle používáme už 80, 90, 100 let a pořádně jsme nepřišli na to, jak to funguje?“ řekl profesor Simmons. „Prošlo to obrovským procesem pokusů a omylů. Pneumatikářské společnosti si mohou koupit mnoho různých druhů sazí – v podstatě vysoce kvalitních sazí – a musí jen metodou pokusů a omylů zjistit, za co se vyplatí platit více a za co ne.“

Protože částice sazí a jejich interakce probíhají v nanoměřítku, je přímé pozorování extrémně obtížné.

Aby výzkumný tým problém vyřešil, provedl 1 500 molekulárně dynamických simulací, které modelovaly chování stovek tisíc atomů uvnitř vyztužené gumy.

Klíčem k průlomu je fyzikální vlastnost zvaná Poissonův poměr, která popisuje, jak materiály mění tvar při natahování. Když se běžná gumička natáhne, ztenčí se, ale z velké části si zachovává stejný celkový objem. Přidání sazí však toto chování významně mění.

Částice sazí fungují v pryži jako mikroskopické strukturální podpěry a brání jejímu ztenčování, ke kterému by docházelo při natahování. V důsledku toho je pryž nucena zvětšovat svůj objem – což je stav, kterému samotný materiál silně odolává.

Podle výzkumníků guma ve skutečnosti „bojuje sama proti sobě“, čímž vytváří výrazné zvýšení tvrdosti a odolnosti.

Toto zjištění nevyvrací předchozí vědecké teorie, ale spíše je všechny spojuje do kompletního vysvětlení. Výzkumný tým zjistil, že síť částic, kohezivní interakce a efekty vyplňování prostoru přispívají ke schopnosti materiálu odolávat změnám objemu.

Toto nové poznání má obrovské důsledky pro průmysl výroby pneumatik. Inženýři se při konstrukci pneumatik často potýkají s „magickým trojúhelníkem“: rovnováhou mezi spotřebou paliva, přilnavostí a odolností.

Zlepšení jednoho nebo dvou faktorů často vede ke snížení třetího. Simmons prohlásil: „S těmito zjištěními klademe nový základ pro racionální konstrukci pneumatik.“

Kromě pneumatik se vyztužená pryž široce používá v elektrárnách, leteckých a kosmických systémech a další kritické infrastruktuře, kde může mít selhání materiálu katastrofální následky.

„Pokud si vzpomínáte, důvodem selhání Challengeru bylo, že se gumové těsnění příliš ochladilo,“ uzavřel Simmons.

„Mnoho energetických systémů a elektráren má pryžové součásti. Každý už měl zahradní hadici, která začala protékat, protože se mu prasklo gumové těsnění. A teď si představte, že by se to stalo v elektrárně nebo chemickém závodě.“

(VNA/Vietnam+)

Zdroj: https://www.vietnamplus.vn/giai-ma-bi-an-100-nam-ve-do-ben-cua-lop-xe-post1110352.vnp