Условие задачи

Чтобы сделать острые края стеклянной палочки более плавными, их поочерёдно вносят в пламя и выдерживают в нём некоторое время, постоянно вращая палочку. Можно ли так подровнять края палочки, сделанной из стали, древесины, кварцевого стекла? Почему?

Решение

Дисциплина: физика (с пересечением материаловедения).

Решение:

Мы знаем, что при обработке стеклянной палочки огонь нагревает её до температуры, при которой стекло начинает мягчать, а затем сила поверхностного натяжения приводит к самовыравниванию и закруглению острых краёв.

Рассмотрим три материала по отдельности:

1. Сталь.
Температура плавления стали находится в пределах примерно 1400–1500 °C. Пламя обычной горелки (например, бензиновой или спиртовой) не достигает таких температур, либо, если и достигает, то нагрев становится слишком неоднородным и приводит к термической деформации, изменению свойств (отжигу, ухудшению ударной вязкости и т.д.). Таким образом, край стальной палочки не «подровнять» таким методом, поскольку либо не достигнет состояния пластичности, либо погибнет от других побочных процессов.

2. Древесина.
Древесина при нагревании в пламени не плавится, а начинает гореть и деградировать. При сильно выраженном нагревании происходит крекинг и воспламенение, что приводит к обугливанию и разрушению материала. Именно поэтому никакого эффекта само-выровнивания за счёт расплавления в огне здесь не наблюдается.

3. Кварцевое стекло.
Кварцевое стекло (кварц) имеет очень высокую температуру плавления – около 1670 °C или даже выше, а также низкую теплопроводность, что затрудняет равномерный нагрев. Обычный пламень не может обеспечить нужное количество энергии для достижения температуры, при которой кварц начал бы заметно размягчаться. Поэтому метод «огненного распределения» не сработает.

Вывод: Метод закругления краёв за счёт подогрева и само-выровнивания посредством поверхностного натяжения применим только для материалов, которые при умеренном нагреве переходят в вязкое состояние (такие как обычное стекло). Для стали пламень недостаточно горяч, для древесины – материал горит, а для кварцевого стекла – пламень не достигает необходимой температуры.