De ce „ţipă” banda adezivă transparentă din celofan

Sunt lucruri pe care mulţi nici nu se gândesc să le pună la îndoială: apa udă, gravitaţia ne ţine la sol, iar banda adezivă transparentă scoate un sunet ascuţit când o dezlipeşti.

Spre deosebire de subtilităţile gravitaţiei, acest „ţipăt” al benzii adezive are, în sfârşit, o explicaţie clară. O echipă de fizicieni condusă de Er Qiang Li, de la Universitatea de Ştiinţă şi Tehnologie din China, a folosit camere cu viteză ultra-înaltă şi microfoane foarte sensibile ca să înregistreze exact ce se petrece atunci când o bandă adezivă transparentă obişnuită este desprinsă de pe sticlă.

Banda adezivă şi undele de şoc: fracturi supersonice în stratul de adeziv

Concluzia este neaşteptat de tehnică: scârţâitul este o succesiune de unde de şoc minuscule, generate în momentul în care fracturi supersonice care se propagă prin stratul adeziv ajung la marginile benzii.

Cu alte cuvinte, o bandă adezivă de uz casnic produce „bubuituri” sonore microscopice.

Ce se ştia deja despre zgomotul benzii adezive

Acest protest sonor al benzii adezive a fost studiat de zeci de ani. În 2010, o echipă de fizicieni a observat unde elastice care urcau de-a lungul porţiunii deja desprinse şi a presupus că sunetul ar proveni din acestea. Apoi, un studiu din 2014 a asociat zgomotul cu fracturi în bandă, însă fără să stabilească mecanismul precis care le transformă în sunet.

Li şi colegii săi au vrut să închidă definitiv misterul, urmărind fenomenul la scară microscopică, cadru cu cadru.

Experimentul: bandă de 19 mm, două microfoane şi două camere ultra-rapide

Pentru test, cercetătorii au desprins de pe sticlă o fâşie de bandă adezivă transparentă cu lăţimea de 19 mm (aproximativ trei sferturi de ţol). Au înregistrat procesul cu două microfoane şi două camere de mare viteză: una orientată spre partea inferioară a benzii, filmând prin sticlă, iar cealaltă poziţionată deasupra şi configurată cu un sistem optic care evidenţiază perturbările din aerul din jur (variaţii fine de densitate).

Aderare–alunecare: de ce desprinderea nu este niciodată uniformă

Când dezlipeşti o bandă adezivă, ea nu se ridică într-o mişcare continuă şi netedă. În schimb, desprinderea are un ritm sacadat şi aparent haotic, pe care fizicienii îl numesc comportament de tip aderare–alunecare.

• Aderare: pentru o fracţiune de secundă, adezivul rămâne lipit cu încăpăţânare de suprafaţă.
• Alunecare: când forţa de tragere depăşeşte brusc legătura adezivă, contactul cedează dintr-odată.

Acest ciclu se repetă de nenumărate ori pe măsură ce banda este dezlipită.

Fracturile transversale: „rupturi” care aleargă de la o margine la alta

În fiecare fază de alunecare, în interiorul adezivului are loc ceva spectaculos la scară microscopică. Banda nu se desprinde uniform pe toată lăţimea ei; în schimb, adezivul se rupe în fâşii înguste care se propagă lateral, traversând banda de la o margine la cealaltă.

Aceste rupturi se numesc fracturi transversale, iar echipa a arătat că ele reprezintă piesa centrală a explicaţiei pentru „ţipătul” benzii adezive.

Viteze uimitoare: până aproape de dublul vitezei sunetului

Ce face fracturile transversale atât de neobişnuite este viteza lor. Cercetătorii au măsurat viteze de propagare între aproximativ 250 şi 600 m/s (circa 900–2.160 km/h). Pentru comparaţie, la temperatura camerei, viteza sunetului în aer este de aproximativ 342 m/s.

Asta înseamnă că unele dintre aceste fracturi se deplasează prin stratul adeziv la viteze care se apropie de de două ori viteza sunetului.

Buzunarul de vid parţial şi colapsul care porneşte unda de şoc

Pentru că fracturile se mişcă atât de repede, ele lasă în urmă un mic spaţiu între bandă şi sticlă: o cavitate efemeră, un buzunar de vid parţial. Aerul nu are timp să pătrundă suficient de rapid ca să umple golul chiar în momentul formării lui.

Acest buzunar „călătoreşte” împreună cu fisura până când ajunge la marginea benzii. Acolo, aerul năvăleşte în cavitate, iar golul se prăbuşeşte brusc.

Tocmai acest colaps abrupt lansează în aer o undă de şoc slabă. Cercetătorii au observat că aceste şocuri izolate se deplasează puţin peste viteza sunetului, în jur de 355 m/s: mai degrabă o şoaptă sonică decât un bubuit, însă produsă de mecanisme similare celor supersonice.

Confirmarea: şocul se naşte la margine, nu de-a lungul fisurii

Prin compararea momentului în care sunetul ajunge la două microfoane amplasate de o parte şi de alta a benzii, echipa a confirmat că fiecare undă de şoc îşi are originea la marginea benzii, nu pe întreaga lungime a fisurii.

Cercetătorii notează că undele elastice care se propagă prin porţiunea deja desprinsă a benzii ar putea contribui şi ele la sunet, însă imaginile au arătat limpede că trenul de şocuri slabe domină şi acoperă aceste contribuţii.

Ce înseamnă asta în practică şi unde mai apare fenomenul

Mecanismul descris sugerează că zgomotul depinde nu doar de „lipici” în general, ci şi de condiţiile care favorizează fracturile transversale rapide: rigiditatea suportului (sticla), viteza de tragere şi proprietăţile stratului adeziv. În materiale şi adezivi diferiţi, aceleaşi idei pot apărea sub alte forme, ori pot fi estompate dacă desprinderea devine mai uniformă şi cavităţile nu mai colapsează atât de brusc.

În plus, înţelegerea acestor unde de şoc foarte slabe poate fi utilă în inginerie atunci când se proiectează îmbinări adezive şi benzi tehnice care trebuie să se desprindă controlat (de exemplu, în ambalare sau în procese industriale), mai ales acolo unde zgomotul şi vibraţiile sunt nedorite.

Concluzia

Nu trebuie să fii pilot de avion supersonic ca să „spargi bariera sunetului” la scară microscopică: e suficient să iei o rolă de bandă adezivă transparentă şi să o dezlipeşti energic.

Rezultatele au fost publicate în seria E a revistei „Recenzie Fizică”.