O

kazuje siê, ¿e mo¿na i wspó³cze-
sne technologie robi¹ to z ca³-
kiem dobrym skutkiem. Materia-

³ami o bardzo wyraŸnych cechach
lepkosprê¿ystych s¹ niektóre elasto-
mery, stanowi¹ce szczególny rodzaj
polimerów usieciowionych. Warto
dok³adniej poznaæ i zrozumieæ w³a-
œciwoœci tych niezwyk³ych materia-
³ów. W tym celu rozpatrzymy ich
wewnêtrzn¹ strukturê. Jak wiado-
mo, wszystkie cia³a zbudowane s¹
z cz¹steczek nazywanych inaczej

moleku³ami. W wielu cia³ach sta³ych
cz¹steczki te s¹ w du¿ym stopniu
uporz¹dkowane, znajduj¹ siê blisko
siebie i silnie ze sob¹ oddzia³uj¹. Ta-
k¹ strukturê wewnêtrzn¹ ma wspo-
mniany kawa³ek stalowego drutu.
¯eby odkszta³ciæ taki materia³, np.
rozci¹gn¹æ lub œcisn¹æ, potrzeba du-
¿ych si³ zewnêtrznych F do pokona-
nia oddzia³ywañ miêdzy cz¹steczka-
mi. Dlatego te¿ mo¿liwe do osi¹-

gniêcia wyd³u¿enia ∆l s¹ tutaj sto-
sunkowo niewielkie (w granicach
kilku procent pocz¹tkowej d³ugoœci -
przy wiêkszych materia³ ulega ze-
rwaniu), a ponadto zale¿¹ liniowo
od przy³o¿onej si³y F (zob. odcinek 1
na rys.

). Ta liniowa zale¿noœæ

miêdzy ∆l i F nazywa siê prawem
Hooke'a.

Zupe³nie inaczej wygl¹da

struktura wewnêtrzna elastomerów
(

). Polimery sk³adaj¹ siê z bardzo

du¿ych cz¹steczek zbudowanych z

jednakowych, po³¹czonych ze sob¹
fragmentów (grup atomów) zwa-
nych merami - ich liczba w cz¹-
steczce mo¿e wynosiæ setki tysiêcy.
W elastomerach cz¹steczki te maj¹
postaæ d³ugich, spl¹tanych ³añcu-
chów (rys.

). £añcuchy po³¹czone

s¹ równie¿ ze sob¹ w miejscach na-
zywanych wêz³ami i tworz¹ sieæ, w
której jest doœæ du¿o wolnej prze-
strzeni. Przyk³adaj¹c do elastomeru
pewn¹ si³ê zewnêtrzn¹ F, ³atwo
mo¿na spowodowaæ rozprostowa-
nie tych ³añcuchów i przez to

znaczne jego wyd³u¿enie (zob. linia
2 na rys.

). Znane s¹ elastomery,

których wyd³u¿enie ∆l przed zerwa-
niem osi¹ga 1200% pierwotnej d³u-
goœci. Zale¿noœæ miêdzy ∆l i F dla
elastomerów tylko pocz¹tkowo jest
liniowa.

Z przeprowadzonych rozwa-

¿añ wynika, ¿e elastomery s¹ mate-

ria³ami bardzo sprê¿ystymi, ale
gdzie tu jest ich lepkoœæ? Otó¿ oka-
zuje siê, ¿e mery stanowi¹ce swo-
bodne koñce ³añcuchów w niektó-
rych elastomerach (zob. rys.

),

maj¹ du¿¹ zdolnoœæ przyci¹gania
cz¹steczek innych cia³. Krótko nazy-
wa siê to dzia³aniem si³ adhezji.
Skutkiem tego nastêpuje po³¹czenie
kawa³ka takiego elastomeru z in-
nym cia³em, wygl¹daj¹ce jak przy-

klejenie siê. Elastomery te maj¹
wiêc jednoczeœnie w³aœciwoœci lep-
kie i sprê¿yste. Z takich elastome-
rów wykonywane s¹ w³aœnie poja-
wiaj¹ce siê od czasu do czasu w
sprzeda¿y zabawki w postaci scho-
dz¹cych po œcianach kulek lub lu-
dzików (fot.

,

), albo powraca-

j¹cych ³apek (fot.

). Do ich wy-

twarzania u¿ywa siê najczêœciej al-
koholu poliwinylowego.

Przyjrzyjmy siê bli¿ej zacho-

waniu kulki wykonanej z takiego
lepkosprê¿ystego materia³u. Po rzu-
ceniu na pionow¹ powierzchniê,
np. g³adk¹ œcianê lub szybê, kulka

6

5

1

4

2

4

3

2

n i e z w y k ł e m a t e r i a ł y

TEKST TRUDNY

!!!

Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że w nazwie

tych materiałów popełniono błąd. Słowo sprężysty kojarzy się

nam przecież z takim materiałem jak np. kawałek stalowego

drutu albo gumy, a słowo lepki przypisujemy takim ciałom jak

np. olej lub klej. Czy można wytworzyć taki materiał, który

posiadałby jednocześnie te dwie tak różne właściwości?

S t a n i s ł a w B e d n a r e k

Uporządkowana struktura we-
wnętrzna sprężystego ciała stałego.

Zależność wydłużenia ∆l od przyło-
żonej siły F dla ciała stałego o
strukturze uporządkowanej (odcinek
1) i dla elastomeru (krzywa 2).

MATERIAŁY LEPKOSPRĘŻYSTE

Kulka wykonana z materiału lepko-
sprężystego schodzi po pionowej
powierzchni.

1

2

3

M

Ł

ODY

TECHNIK

3/2005

4

44

4

najpierw zderza siê z ni¹, ulegaj¹c
przy tym sp³aszczeniu, i jednocze-
œnie przykleja do powierzchni. Po
up³ywie pewnego czasu, który mo-
¿e trwaæ od kilkunastu sekund do
kilku minut - zale¿y to od prêdkoœci,
z jak¹ rzuciliœmy kulkê i od g³adko-
œci powierzchni, kulka w znacznym
stopniu odkleja siê i odzyskuje swój

pierwotny kszta³t. Nastêpnie, pozo-
staj¹c lekko sp³aszczon¹ w miej-
scu kontaktu z powierzchni¹, kul-
ka toczy siê w dó³ po powierzchni,
co wygl¹da bardzo efektownie. Je-
¿eli kulkê rzucilibyœmy od do³u na
poziom¹ powierzchniê np. na sufit,
to podczas zderzenia tak¿e ulegnie
ona sp³aszczeniu i przyklei siê, a na-
stêpnie zacznie odzyskiwaæ swój
pocz¹tkowy kszta³t i spadnie. W
pierwszej fazie, podczas sp³aszcza-
nia i przyklejania, kulka wykazuje
w³aœciwoœci lepkie, a w drugiej -

gdy odzyskuje swój pocz¹tkowy
kszta³t, ujawniaj¹ siê jej w³aœciwo-
œci sprê¿yste.

Jeszcze bardziej efektownie

zachowuj¹ siê figurki, np. ludziki,
wykonane z materia³u lepkosprê¿y-
stego. Rzucone na pionow¹ po-
wierzchniê pocz¹tkowo przyklejaj¹
siê, a nastêpnie ich czêœci, np. rêce,
ulegaj¹ odklejeniu, opadaj¹ i przy-
klejaj¹ siê ponownie. Dziêki temu
ludzik schodzi po œcianie, fikaj¹c
kozio³ki. Je¿eli powracaj¹c¹ ³apkê
przytrzymamy za kó³ko i wykonamy
ni¹ zamach w kierunku jakiejœ po-
wierzchni, to œrodkowa czêœæ w po-
staci taœmy ulegnie wyd³u¿eniu i
³apka przyklei siê do tej powierzch-
ni. Trzymaj¹c kó³ko nieruchomo, za-
uwa¿ymy, ¿e po pewnym czasie
³apka niespodziewanie odklei siê
i powróci w kierunku naszej d³oni.

Jedn¹ z charakterystycznych

w³aœciwoœci materia³ów lepkosprê-
¿ystych jest d³ugi i powolny - w po-
równaniu z materia³ami sprê¿ysty-
mi, proces zaniku odkszta³ceñ po
ustaniu dzia³ania si³, które je spo-
wodowa³y. W³aœciwoœæ tê obrazuje
rys.

, bêd¹cy wykresem zale¿no-

œci wyd³u¿enia ∆l od czasu t w na-

stêpuj¹cej sytuacji. Do dwóch prê-
tów - stalowego oraz lepkosprê¿y-
stego o takich samych wymiarach -
zosta³y przy³o¿one jednakowe si³y,
dzia³aj¹ce w tym samym czasie
0-t

1

. Wyd³u¿enie prêta stalowego

opisuje linia 1, natomiast lepkosprê-
¿ystego linia 2. Widaæ wyraŸnie, ¿e
w prêcie stalowym niewielkie wy-
d³u¿enie szybko zanika, co przed-
stawia stromo opadaj¹cy odcinek
AB. Prêt lepkosprê¿ysty ulega nato-
miast znacznie wiêkszemu wyd³u-

¿eniu, które zanika
powoli zgodnie z lini¹
CD. Ten proces zaniku
wyd³u¿enia lub in-
nych odkszta³ceñ na-
zywa siê relaksacj¹.
D³ugi czas relaksacji
materia³ów lepkosprê-
¿ystych przejawia siê
w³aœnie w powolnym
d¹¿eniu do pierwot-
nego kszta³tu przykle-
jonej kulki i opóŸnio-
nym odskakiwaniu
powracaj¹cej ³apki.

Materia³y lep-

kosprê¿yste wykazuj¹
jeszcze jedn¹, godn¹
uwagi w³aœciwoœæ na-
zywan¹ pe³zaniem
odkszta³cenia. Na
czym ona polega?
Niech do dwóch, ta-
kich samych jak po-
przednio prêtów, przy-
³o¿one si³y od pewne-
go momentu t

1

bêd¹

zachowywa³y tê sam¹
sta³¹ wartoœæ. Wyd³u-
¿enie prêta stalowego
pozostanie od tego
momentu praktycznie

7

M

Ł

ODY

TECHNIK

3/2005

P l a s t e l i n a s p r ę ż y s t a , p e ł z a j ą c a , a n a w e t i n t e l i g e n t n a

Nieuporządkowana łańcuchowa
struktura wewnętrzna elastomeru.

Zależność wydłużenia ∆l od czasu t dla ciała stałe-
go o strukturze uporządkowanej (linia 1) i dla ciała
lepkosprężystego (linia 2) po zaprzestaniu działania
przyłożonej siły w chwili t

1

.

Podobna zależność, jak na rys. 6, ale po pozosta-
wieniu od chwili t

1

obu ciał pod działaniem stałej siły.

4

45

5

Figurka ludzika z materiału lepko-
sprężystego może schodzić po pio-
nowej ścianie, fikając koziołki.

Powracająca łapka z materiału lep-
kosprężystego po pewnym czasie
odkleja się i wraca do rzucającego.

7

8

5

6

4

sta³e (rys.

, linia 1), natomiast

wyd³u¿enie prêta lepkosprê¿ystego
bêdzie systematycznie wzrasta³o
(linia 2). W³aœnie ten wzrost wyd³u-

¿enia z up³ywem czasu, zachodz¹cy
mimo sta³ej si³y, nazywa siê pe³za-
niem. Niektóre materia³y lepkosprê-
¿yste ulegaj¹ pe³zaniu nawet pod
wp³ywem w³asnego ciê¿aru. W
sklepach z gad¿etami mo¿na czêsto
kupiæ zabawkê o angielskiej nazwie
putty, co po polsku oznacza szpa-
chlówkê. Jest to bardzo efektowny
materia³ lepkosprê¿ysty zamkniêty

w cylindrycznym pude³ku (fot.

),

który po wyjêciu mo¿na formowaæ
jak plastelinê. Uformowany z tego
materia³u walec, trzymany za górny

koniec, pe³znie pod w³a-
snym ciê¿arem a¿ do
utworzenia cienkiej nici
i zerwania. Zerwane czê-
œci mo¿na przy³o¿yæ do
siebie, lekko docisn¹æ
i ulegn¹ one sklejeniu.

Relaksacja i pe³za-

nie przyczyniaj¹ siê do
wystêpowania w mate-
ria³ach lepkosprê¿ystych
histerezy odkszta³cenia,
czyli jego opóŸnienia,
wzglêdem zmian si³y po-
woduj¹cej to odkszta³ce-
nie. Podczas dostatecz-
nie szybkich, okreso-
wych zmian si³y pojawia

siê charakterystyczna pêtla histere-
zy (rys.

), przypominaj¹ca pêtlê

histerezy wystêpuj¹c¹ podczas
przemagnesowania cia³ ferroma-
gnetycznych. Badaniem opisanych
w³aœciwoœci cia³ lepkosprê¿ystych
zajmuje siê stoj¹ca na pograniczu
fizyki i techniki dziedzina naukowa
zwana reologi¹. Warto te¿ na za-
koñczenie dodaæ, ¿e obecnie s¹ wy-

twarzane kompozyty sk³adaj¹ce siê
z cz¹stek ferromagnetycznych
umieszczonych wewn¹trz materia³u
lepkosprê¿ystego. W³aœciwoœci
tych kompozytów mo¿na zmieniaæ
zdalnie przy u¿yciu pola magne-
tycznego. Ale dok³adniejsze opisa-
nie w³aœciwoœci tych niezwyk³ych
materia³ów, nazywanych czêsto
materia³ami inteligentnymi, to ju¿
temat na inny artyku³.
(Fotografie ze zbiorów autora) !

10

9

8

M

Ł

ODY

TECHNIK

3/2005

4

46

6

Podczas cyklicznych zmian przyłożo-
nej siły F ciała lepkosprężyste wyka-
zują opóźnione zmiany wydłużenia
∆l, dając charakterystyczną pętlę hi-
sterezy (linia 2), której nie obserwuje
się dla ciał sprężystych (linia 1).

Ten materiał lepkosprężysty dostępny w skle-
pach z gadżetami daje się formować jak plasteli-
na i pełznie pod własnym ciężarem.

9

10

n i e z w y k ł e m a t e r i a ł y