До Бразилії – у «рідкому» бронежилеті

    Учень 10 класу Олександрійської гімназії Кіровоградського обласного НВК (“Гімназія Короткова”) Артем Самсонов завоював третє місце на Всеукраїнському конкурсі-захисті Малої академії наук України (МАН) за розробку бронежилета на основі неньютонівської рідини.

   Конкурс пройшов у Києві 25-28 квітня, гімназист отримав бронзову нагороду за напрямом “Технічні науки”, секція “Матеріалознавство”. Свiй винахiд школяр успiшно захистив на обласному етапi Малої академiї наук i презентував на київськiй виставцi шкiльних винаходiв «Майбутнє України».

    Кiлькох учасникiв цiєї виставки (і серед них Артема) запросили на мiжнародну виставку Expo-Sciences International 2017 (ESI 2017), яка пройде в Бразилiї в серпнi цього року.

     Ми мали розмову з номінантом, який детально розповів про ідею своєї розробки. Але спершу, напевне, варто зробити деякі визначення, оскільки після повідомлень у ЗМІ про «рідинний бронежилет» у людей, далеких від науки, виник цілий шквал скепсису: мовляв, маячня якась, а не винахід. Інші твердо впевнені: учень просто «винайшов велосипед», оскільки таке явище, як «рідка броня», відкрито у світі значно раніше. Але справа тут навіть не у неуцтві скептиків: незвична (в усталеному уявленні) поведінка певних рідин, т.з. неньютонівських, – порівняно новий напрямок у матеріалознавстві. Хоча, як стверджують наукові кола, на дивну поведінку рідин за певних умов звернув свого часу увагу саме Ісаак Ньютон. Кажуть, пливучи якось човном, він замислився: чому, коли веслувати дуже повільно, то вода майже не створює ніякого опору, весло рухається зовсім легко, але варто лише робити різкі і швидкі рухи веслом, як опір води стає неабияким і тим більшим, чим швидше хочеш веслувати. Так багато років тому було відкрито у фізиці явище в`язкості рідин. Інший приклад: опустіть повільно руку у воду чи іншу рідину: ви не відчуєте ніякого опору. А тепер розмахніться і щосили вдарте по поверхні рідини – вам буде боляче, ніби ви вдарили по асфальту. Але ж це та сама рідина, а не тверде середовище! До того ж рівень болю буде пропорційний не лише прикладеній вашою рукою кінетичній енергії, а й коефіцієнту в’язкості певної рідини. Більше того, відомий ось такий феномен: людина з розгону стрибає в басейн з рідкою речовиною і швидко біжить по ній, але… не тоне! Ноги тільки торкаються поверхні рідини, відштовхуючись від неї. Та варто лише зупинитися бігуну, як він поступово занурюється у рідину…

     Найпростішим прикладом неньютонівської рідини може бути розчин звичайного крохмалю у воді у співвідношенні 1:1. Будь-хто може у цьому пересвідчитись, якщо наповнить яку-небудь велику ємність цим розчином і пробіжиться по ній. Результат буде просто вражаючий.

   Саме на такій властивості певних рідин (а їх може бути багато різновидів) базується принцип «рідкої броні». Наприклад, в існуючих зразках сучасних захисних жилетів кевларові волокна просто просочують спеціальною речовиною, що дуже підвищує їхню міцність. Але школяр Артем пішов дещо іншим шляхом.

    Він почав розробку “рідкого” бронежилета ще у 2015 році.

   – Усередині такого захисного пристрою знаходиться спеціальна рідина, в’язкість якої залежить від градієнта швидкості. Говорячи простіше, з рідкого вона може миттєво перетворюватися на «твердий» матеріал. Це відбувається при досить сильному ударі, до якого можна віднести і попадання кулі, котра має дуже високу механічну енергію. Бронежилети з неньютонівською рідиною у світі активно розробляють останні кілька років. Наприклад, польські вчені, – каже Артем. – Але у них жилети суцільні і повністю заповнені цією речовиною. Якщо куля все-таки проб’є зовнішню оболонку, то хоча вона й зупиниться, проте через деякий час рідина просто витече, і жилет стане непридатним.

   Тому Артем розробив свою конструкцію інакше: це така захисна пластина з полімеру, яка складається з двох частин. Кожна товщиною по півсантиметра і утворена з дрібних шестигранних комірок, з`єднаних між собою і заповнених неньютонівською рідиною. Все це зовні нагадує бджолині стільники.

   – Це, так би мовити, для більшої надійності, – пояснив школяр. – Якщо одну пластину куля все-таки проб’є, то інша витримає та й рідка речовина з усієї конструкції не витече.

   Бронежилет складається з декількох частин: спереду і ззаду пластини-стільники, заповнені рідиною, а зверху він обшитий щільною кевларовою тканиною.Теоретично такий бронежилет – третього класу захисту, тобто витримує постріл з автомата Калашникова.

    – Сучасні бронежилети зі сталевими пластинами можуть прогинатися від пострілу на глибину до чотирьох сантиметрів, тому людині загрожує серйозна травма, навіть якщо куля його не пробиває. І такі зразки тверді й важкі, а тому не здатні захищати організм людини, наприклад, у рухливих зонах шиї, хребта, суглобів, – продовжує гімназист. – А завдяки особливим властивостям неньютонівської рідини деформація бронежилета від удару зменшується до цілком безпечного для людини одного сантиметра. І разом з тим, завдяки полімерним пластинам з рідиною, вони набагато легші й гнучкіші у звичайних умовах. Я досліджував: на озброєнні жодної армії світу таких “рідких” бронежилетів поки що немає. До речі, мою конструкцію завдяки її легкості й гнучкості можна використовувати не лише у військових цілях, а як захисні засоби – наколінники, налікотники, шоломи тощо у травмонебезпечних професіях, видах спорту.

   За два роки копіткої праці хлопець виготовив макет стільникової конструкції, розрахувавши її математично. Проводив і досліди з неньютонівською рідиною, полімерами, використовуючи “секретні компоненти” власного ноу-хау. Звісно, дещо з матеріалів доводилося купувати. Обрахував і можливу ціну: коштувати такий бронежилет, впевнений юний розробник, буде у декілька разів менше, ніж суцільний кевларовий.

    Ми поспілкувалися також з науковим керівником Артема, викладачем фізики Олександром Мірошниченком.

   – Я викладаю фізику у класі Артема, – каже Олександр Іванович. – У сьомому класі Артем захопився предметом, брав участь у різних конкурсах і олімпіадах, у тому числі й Всеукраїнській, починаючи з міського туру. У восьмому класі він уже показував хороші результати. А в Малій академії Артем почав брати участь у конкурсах-захистах з 9-го класу. Його тема спочатку була просто голою ідеєю, не підкріпленою розрахунками, що потребує різнопланових знань з фізики – навіть таких, які не дають у школі. А фізика, як відомо, не буває без математики, тому доводилося робити складні обчислення. Але він посів спочатку друге місце на обласному конкурсі, і за це йому надали можливість поїхати до літнього наукового табору для удосконалення знань. Конкурс проходить у три етапи: перший – заочний, коли просто присилається робота, другий – написання контрольної роботи, а третій – захист. Було складно, оскільки там брали участь конкурсанти із великих міст, де є фізико-математичні ліцеї з викладанням предмета 9 годин на тиждень, а не три, як у нас. Але його захист був визнаний одним із найкращих.

   – Керівників юних обдарувань не беруть у Бразилію?

  – Та добре, що хоч авторам надають таку можливість! Хоча у цьому році Малій академії виділяють кошти і на впровадження наукових робіт. А минулого року я, як учасник такого впровадження, їздив від МАН на конференцію до Швейцарії у центр ядерних досліджень на адронний колайдер.

   – У Бразилії Артему доведеться доповідати перед конкурсною комісією англійською мовою?

   – Так. Для цього проводився відбірковий тур саме по спілкуванню, умінню дискутувати, володіти англійською не лише технічно, а й розмовно. Наприклад, на конкурсі один з олександрійських МАНівців представив дуже цікаву ідею, але англійська у нього виявилася не на такому рівні, як у Артема, а тому він не зможе презентувати на даному конкурсі, і йому дали рік на підготовку.

    А з Артемом, я думаю, в 11-у класі ми поліпшимо його розробку за рахунок розширеного практичного матеріалу, щоб результат вийшов ще достойнішим.

О.Наріжний