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第5章 橡皮筋的奥秘

橡皮筋被拉长以后,你一松开手,它又能恢复原状,这就是弹性。那么,橡胶为什么有弹性,而棉线为什么就没有弹性呢?我们不妨拿在操场上手拉手排成队的小朋友作一个比喻。

老师先让小朋友们手拉手排成一行长队,并向他们提出:“绝对不能松开拉着的手。”可是隔不多久,你再观察一下队形,原来的直线队形就变得弯弯曲曲了。

原来,小朋友们本来就不喜欢一动不动地站在那里,这样会引起情绪上的不稳定,总要求向自由度大的方向移动,但是老师又不让松开彼此拉着的手,于是,最后只能形成弯弯曲曲的自然状态下的队形。

橡胶从微观结构来看好比小朋友们所列的队形一样。橡胶是由一种叫做异戊二烯的化合物聚合而成的,是一条条很长很长的链,但各条的长度都不一致。

在自然状态下,这一条条很长的链是卷曲的,当用力拉时,卷曲着的链被拉开了。那么,当拉力取消时,橡胶为什么又会恢复原状呢?原来,将橡胶的长链拉伸时会减小每个原子的自由度,使原子处在不稳定的状态。因为要求恢复原来的自由状态是物质的本性,于是,在拉伸力消除以后,拉直了的橡胶长链又会恢复原状,成了卷曲程度比较高的状态。

现在你应该明白了,一种具有弹性的物质(如橡胶)应该具备两个条件:第一,它应该是形状和一根线类似的卷曲程度比较高的长链;第二,在外力拉伸下,长链的卷曲程度比未拉伸之前要低,但拉伸力取消后,它又会恢复原状。

天然橡胶是探险家哥伦布在1493年的第二次航海时发现的。他到达美洲海地时,见到当地土人正在用橡胶球做游戏。这种掉在地上又能弹回来的球,用力压下去能被压成类似橄榄球的椭圆形,压力放松后又能恢复原状,变成圆形的球。哥伦布惊奇地把橡胶球比作是一个放荡的“浪子”,在外界条件改变下,“浪子”开始放荡,当外界条件又变回到原来样子,“浪子”又回头了。

从哥伦布发现橡胶以后,科学家们一直在研究如何很好地利用这位“浪子”的性质中的有益的一方面,即利用它的弹性为人类服务。但是,他们发现天然橡胶虽然具有弹性,但是弹性不够好。

1839年,美国工程师古德意开始研究如何改善橡胶的弹性。当时,全世界的炼钢工业已经相当发达,铁被炼成钢以后,性质之所以能够得到很大的改善,原因是在将铁炼成钢的过程中要往铁水中添加一些其他的化学元素,并降低其中碳的含量,使铁的结构有了变化,性能才得到了改善。

受到炼钢的启发,古德意开始往天然橡胶中添加其他物质的试验,古德意找来了很多物质,把它们分别添加到橡胶中进行研究。

有一次,古德意把硫磺加到正在被加热的橡胶中,顿时发生了剧烈的化学反应,并冒出浓烟和放出大量令人窒息的臭气,古德意不得不把实验停了下来,并把发臭的橡胶扔进了垃圾箱。

过了一天,当古德意在加热炉的边上清扫时,偶然发现了一块弹性很好的橡胶,他立刻意识到,昨天的实验已经获得成功,被自己扔进垃圾箱的橡胶并不是废物,而是弹性很好的产品。

原来,天然橡胶在加热时加进硫磺以后,发生了化学反应,改变了天然橡胶的微观结构,硫原子(S)把链状的天然橡胶交联在一起,形成了具有三维网状结构的硫化橡胶,它是一种伸缩自由、具有优异弹性的立体网状结构。

现在,工业和民用的橡胶制品绝大多数是用硫化橡胶做原料制成的,它的优良性能使它能满足飞机、汽车、自行车等所用轮胎的要求,即弹性好、强度高、耐磨、耐穿刺、耐老化,而且在行驶过程中轮胎与地面摩擦时产生的热量少,保证了行车安全。除此之外,硫化橡胶制品还包括胶管、胶带、雨衣、雨鞋、胶鞋等等,为发展工农业、交通运输业、国防建设和民用产品做出了很大的贡献。

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