Викладачі матеріалознавства з Великобританії розповіли про використання вафель з карамеллю в шоколадній глазурі в якості об'єктів дослідження в дистанційному лабораторному практикумі з вивчення композитних матеріалів. Завданням студентів було піддавати вафлі кільком механічним тестам на злам у себе вдома і давати якісний опис досвіду, в той час як викладачі робили те ж саме на лабораторному обладнанні з точним виміром параметрів. Порівняння власних і лабораторних результатів, а також їх інтерпретація допомогли студентам краще зрозуміти механіку процесів, що відбуваються в багатошарових структурах. Стаття з результатами роботи опублікована в.
Композитними матеріалами називають матеріали, які складаються з двох або більше компонент з різними фізичними і хімічними властивостями. Особливість таких матеріалів у тому, що правильна комбінація компонентів створює якісно нові властивості, які неможливо отримати простою суперпозицією вихідних властивостей. Якщо говорити про механіка, то мова, як правило, йде про міцність, легкість, жорсткість і так далі. Поширений приклад композитного матеріалу - це аркуші фанери.
Вивчення таких структур складно уявити без різноманітних механічних тестів, які проводяться в умовах лабораторії на спеціально призначеному для цього обладнанні. Це також стосується і освітнього процесу, що включає в себе лабораторні роботи студентів. Пандемія COVID-19, однак, внесла корективи в навчальні програми всього світу, і найсильніше від неї постраждали саме їхні лабораторні частини. Це позначається на якості освіти в прикладних технічних спеціальностях, у тому числі у фізиці композитних матеріалів. Без доступу до лабораторій студенти в більшості випадків змушені задовольнятися лише дистанційною демонстрацією дослідів, оскільки проведення їх в домашніх умовах, як правило, неможливо.
Група викладачів матеріалознавства з Університету Шеффілд, Великобританія, за участю Джуліана Діна (Julian Dean) спробувала скомпенсувати збитки, завдані пандемією, запропонувавши студентам досліджувати як композитний матеріал вафлі з карамеллю в шоколадній глазурі популярної марки Tunnock's, які вони могли купити в будь-якому магазині. Ідея викладачів полягала в тому, щоб запропонувати студентам, не виходячи з дому, провести над вафельними батончиками серію випробувань на триточковий вигин і якісно зафіксувати результати проведеного досвіду. Співробітники університету проводять ті ж самі досліди в лабораторії, де вже детально фіксують всі результати і передають їх студентам.
Обрані для дослідів батончики являють собою композит з сендвіч-структурою довжиною 92 мм, товщиною 19 мм і шириною 27 мм з п'яти шарів вафель, між якими розташовані чотири шари карамелі. Зверху вафельний батончик покритий шоколадною глазур'ю, чиї естетичні і смакові властивості були оцінені авторами дуже високо, проте її вплив на механічні властивості був нікчемним.
Для дослідження механічних властивостей вафель з карамеллю автори використовували випробування на триточковий вигин. Вони клали батончик на дві симетричні нерухомі опори і тиснули наконечником зверху на його середину. Вчені могли вимірювати тиск і зміщення точки (деформацію), до якої воно прикладається. Випробування проводилися для батончиків трьох різних температур: кімнатній (приблизно 20 градусів), низькій (після десяти хвилин у морозильній камері, приблизно - 5 градусів) і високій (приблизно 30 градусів). Самі батончики були орієнтовані в просторі двома способами: в одному випадку шари вафель і карамелі були перпендикулярні силі, в іншому - паралельні (тобто сила діє на батончик збоку).
Студентам же пропонувалося проводити випробування вручну у себе вдома. У ролі наконечника слід було використовувати зведені разом до середини батончика великі пальці, а інші пальці грали роль опори. Звичайно, вимірювати тиск студенти не могли, але їм було запропоновано записувати тактильні відчуття і звуки, які вони чують, а поспостерігати характер поширення тріщини і форму розриву. По закінченню дослідів вони порівнювали свої результати з графіками залежності навантаження від деформації, наданими викладачами.
У всіх дослідах поведінка батончика істотно відрізнялася для випадків різної орієнтації. При перпендикулярній орієнтації структура витримувала менші тиски, проте саме руйнування мало більш протяжний характер. Автори пояснювали це тим, що більш податливі шари карамелі перерозподіляли сили і натягнення, що діяли на більш жорсткі вафельні шари. При паралельній орієнтації батончик витримував більше тиск, але тріщина в ньому виникала набагато швидше разом з характерним звуком.
Підвищення температури зробило зразок пластичнішим, але менш міцним, що сильніше проявилося для перпендикулярної орієнтації, а зниження - навпаки. На графіках залежності навантаження від деформації для перпендикулярної орієнтації холодних зразків авторами була відзначена характерна пілоподібна структура. Її виникнення пов'язане з тим, що руйнування всього зразка відбувається післяйно. Після руйнування кожного вафельного шару карамель перерозподіляє навантаження, і тому вимірюваний тиск дещо просідає. З ростом деформації воно знову зростає, поки не зламає наступний шар, і так далі.
Вчені зазначили, що така поведінка матеріалу може змінитися, якщо температура опуститься нижче особливої позначки, відомої як температура крихко-пластичного переходу. Це досить небезпечна властивість матеріалів, яка вже призводила до катастроф. Зокрема відомо, що через нього страждали транспортні пароплави типу «Ліберті», і воно навіть стало однією з причин загибелі «Титаніка».
Щоб дослідити цей перехід у вафельних батончиках, автори охолодили їх до температури - 192 градуси за цельсієм за допомогою рідкого азоту (цей досвід супроводжувався попередженням не виконувати його будинки). В результаті, аналізуючи графік залежності навантаження від деформації для перпендикулярної орієнтації, вчені не побачили пілоподібного характеру тиску. Тріщина утворилася при дуже малій деформації, знизивши напруги до рівня, при якому вона тимчасово припинила рух. Однак збільшення деформації зрештою призвело до повного руйнування батончика.
У висновку автори зазначають, що метою їх дослідження було розробити такий експеримент, який міг би за допомогою простих тестів допомогти студентам зрозуміти властивості композитів із сендвіч-структурою. Вони підкреслюють, що запропонована ними процедура може бути проведена, не виходячи з дому, із застосуванням матеріалів, які легко купити в магазині. Вчені сподіваються, що проведені зі студентами досліди піднімуть їх мотивацію до подальшого вивчення матеріалознавства, а також дасть їм ідеї, які ще ласощі вони можуть випробувати.
Фізики часто намагаються наочно описати явища, які відбуваються з предметами навколо нас. Раніше вони навчилися ламати спагеті навпіл, а нещодавно розібралися, що буде, якщо згинати пачку листів.