Patnáctá otázka ankety Mezi námi doputovala za svým respondentem. Prof. Zuzanka Trojanová se v minulém díle zeptala, jak lze poslouchat, co vypravují krystaly. Odpovídá jí doc. František Chmelík.
Jak poslouchat, co vypravují krystaly?
Jedním z nejzajímavějších a také nejrozšířenějších přírodních jevů je akustická emise. Za její striktní definicí, totiž že se jedná o elastické vlnění, které vzniká v důsledku spontánních, lokálních a nevratných změn struktury materiálu doprovázených uvolněním energie, se skrývá celá řada známých jevů, jako jsou zemětřesení, posuny geologických vrstev, sesuvy půdy, ale také třeba praskání ledu při jarní oblevě. Velmi dávno si lidé též všimli, že se slyšitelnými zvuky se mohou setkat při deformaci či lámání kovových materiálů (např. praskavý zvuk při ohýbání cínové tyčinky byl známý již ve starověku). V moderní době pak zjistili, že emise zvuku předchází a doprovází některé katastrofické procesy, jako jsou důlní závaly, selhání konstrukcí či var chladicích kapalin.
Pro fyziky je akustická emise přitažlivá svým multiškálovým charakterem. Prostorová škála začíná na úrovni krystalové mříže při deformaci krystalu a končí na stovkách metrů až kilometrech při posunu částí zemské kůry. Frekvenční škála probíhá od infrazvuku při zemětřesení až po ultrazvuk s vlnovou délkou srovnatelnou s rozměry poruch krystalové mříže. A nejinak je tomu s časovým škálováním, například signál vzniklý při vzniku mechanického dvojčete v kovovém krystalu netrvá déle než několik mikrosekund. Inženýry pak přitahují možnosti širokého využití jevu v monitorování bezpečného provozu nejrůznějších zařízení a v defektoskopii.
Nepřekvapí tedy, že se vědci výzkumu akustické emise věnují již téměř sto let a díky bouřlivému rozvoji měřicích zařízení v posledních letech učinili z akustické emise mocný nástroj techniky a vědeckého výzkumu. Pro využití v moderní fyzice materiálů nabízí soudobá měřicí technika aparatury vybavené citlivými piezoelektrickými snímači, které převádějí ultrazvuk na elektrický signál, a elektronikou umožňující zesílení signálu až o 100 dB. Můžeme tak bez problémů naslouchat tomu, co nám vypravují krystaly, v nichž probíhá plastická deformace, lom či martenzitická fázová transformace, a tak získat záznam chování materiálu v reálném čase a srovnat jej s výsledky získanými jinými metodami.
Ve spojení s matematickými metodami poskytuje studium akustické emise celou řadu zásadních fyzikálních poznatků. Už jen fakt, že akustickou emisi při plastické deformaci kovových materiálů můžeme vůbec změřit, jednoduše dokazuje, že se hlavní nositelé plastické deformace, čárové poruchy zvané dislokace, pohybují kolektivně. Pokud je plastická deformace doprovázena slyšitelným zvukem, jako je ono dávno známé vrzání cínové tyčinky způsobené mechanickým dvojčatěním, můžeme bez obav říci, že ho vyvolává opakovaný kooperativní pohyb tisíců poruch krystalové mříže na časové škále několika málo mikrosekund. Integrací signálu akustické emise můžeme získat jeho energii odpovídající každé změřené události. Vyneseme-li hustotu pravděpodobnosti získaných energií do bilogaritmického grafu, zpravidla najdeme lineární závislosti se sklonem opravňujícím vyslovit hypotézu o univerzálním a intermitentním charakteru chování poruch krystalů podrobených namáhání, totiž že tyto poruchy, zpravidla dislokace, představují dynamický systém, který může být v kritickém stavu.
Na katedře fyziky materiálů MFF UK se zabýváme studiem materiálů pomocí akustické emise již více než 30 let. U zrodu této tradice stáli mimo mne také prof. Pavel Lukáč a prof. Zuzanka Trojanová. V současné době máme již rozsáhlý výzkumný tým s celou řadou mladých kolegů. K tématu jsme publikovali více než 200 prací v mezinárodních časopisech a spolupracujeme s několika renomovanými zahraničními partnery.
doc. RNDr. František Chmelík, CSc.
Katedra fyziky materiálů, Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze
Otázka na doc. Kristiána Máthise: Co jsou micropillars a co nám prozradí jejich studium? > Odpověď
Další díly ankety:
Mezi
námi: Jára Cimrman prohlásil, že budoucnost patří aluminiu. Není to
spíš tak, že budoucnost patří magnéziu?
Mezi
námi: Jak vzniká dobrý učitel fyziky?
Mezi
námi: Co pohání kontinenty na Zemi? A čím je Venuše jiná?
Mezi
námi: Jak pozná teoretický fyzik, zda výsledky jeho bádání jsou
správné?
Mezi
námi: V čem spočívá vědecká excelence MFF UK v matematice?
Mezi
námi: Z čeho pramení výborná atmosféra ve vašem týmu doktorandů,
postdoktorandů a mladých kolegů?
Mezi
námi: Existuje podle Vašeho názoru období (nebo více období) v naší
historii, které byste označil jako „zlatá doba české matematiky“ a proč?
Mezi
námi: Co je to pravděpodobnost v přirozeném světě, co je to
pravděpodobnost ve světě matematiky a jak spolu souvisejí?
Mezi
námi: Matematici matematiku objevují, anebo tvoří?
Mezi
námi: Existuje něco jako buňky na matematiku?
Mezi
námi: Vysoká škola versus Akademie věd – které prostředí je
pěstování vědy příznivěji nakloněno?
Mezi
námi: Jsou matematika a hudba dvě strany jedné mince?
Mezi
námi: Kolik kilogramů Matfyzu létá ve vesmíru?
Mezi
námi: Kdo je pro mě matfyzák?